由两个碟子,其中一个比另一个小,它们都被分成 $200$ 个均等的扇形;在大碟子中,任选 $100$ 个扇形并涂上红色,剩下的 $100$ 个扇形涂成蓝色;在小碟子中,每一个扇形都被任意地涂成红色或者蓝色,且红蓝色的数量没有限制。现在把小碟子放在大碟子上使得两个碟子中心重合,并用一根轴垂直经过两个碟子的圆心将它们串起来,试证:可以旋转其中一个碟子,使得两个碟子的扇形对齐,并且此时相同颜色重合的扇形的对数至少为 $100$.
考虑小碟子上某个扇形,旋转一周这个扇形将会和大碟子上恰好 $100$ 个扇形颜色重合,这种情况我们称之为重合偶对;注意到小碟子上任何一个扇形,旋转一周后都能和大碟子上的扇形组成 $100$ 个重合偶对;那么,旋转一周,小碟子上 $200$ 个扇形总共能组成 $100 \times 200 = 20000$ 个重合偶对。
另外,碟子旋转一周,有 $200$ 个位置,上面所说的 $20000$ 个重合偶对是对应到这 $200$ 个位置的;因此根据抽屉原理,必定有某个位置,使得碟子旋转到此处时,产生了 $\lceil \frac{20000}{200} \rceil = 100$ 个重合偶对,因而命题得证。
Q.E.D.
这个问题不难,但是解决思路和角度颇有启发性:
关于重合次数的计算:由于小碟子的扇形涂色是任意的,因此容易令人混淆,难以计算一个大碟子扇形会和多少个小碟子扇形颜色重合;所以我们需要换一个 “视角”,从小碟子扇形的角度来看,每一个小扇形都恰好与 $100$ 个大扇形颜色一致,这就解决了计算问题;
本问题是典型的复合元素的问题:“鸽子” 并不是单个的扇形,而是两个扇形共同组成的 “序偶”,“抽屉” 则是通过旋转产生的碟子间的相对位置,解题时脑子里要有这方面的清楚的意识。