首页 理论教育 数学花园漫游记:最短路程问题及优化解法

数学花园漫游记:最短路程问题及优化解法

时间:2023-07-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:许多智力测验都是这种类型的问题。它也可以转化成一个在图上找道路的问题。如果把图的每一个箭头都注上一个数,表示距离或者花费的时间或者需要的车费,那么,我们还可以求最短的或者最节约时间的或者最省车费的路线。这与马教授在《最短路程问题》中所讲述的例子贴合,学会找到最好的一条路,往往可以帮我们解决许多别的问题。我们也把这种问题叫做优化问题。但是这并不是烙好3张饼所需的最短时间。

数学花园漫游记:最短路程问题及优化解法

你初到北京,想从中山公园天文馆,打开交通路线图,很快就可以找到怎么走最好。如果没有交通图,只有一张各路公共汽车经过的站名一览表,你就会感到困难得多。

学会在一张复杂的图上找出最好的一条路,往往可以帮我们解决许多别的问题。比如,一个人带了一只狼、一只羊和一筐白菜,要过一条河。可是船太小,一次只能带一样东西过河。如果他不在,狼要吃羊,羊要吃白菜。问他应该怎样摆渡?

这个问题,就可以转化为在图上找出一条道路的问题。

为了简便起见,我们用R、L、Y和B表示人、狼、羊和白菜。R、L、Y、B最初都在河的这边,用RLYB表示。如果人把羊带到对岸,留在河这边的狼和白菜用LB表示,并且把RLYB画一个箭头指向LB。O表示河这岸什么也没有了。

连线不带箭头,表示可以演变过去,也可以演变回来,叫无向图。从这个图上可以看出两种解决方案

RLYB→LB→RLB→B→RYB→Y→RY→O;

RLYB→LB→RLB→L→RLY→Y→RY→O。

用话来说,前一个方案是:

1.把羊带到对岸(这岸剩下LB);

2.人回到这边(这岸变成RLB);

3.把狼带到对岸(这岸剩下B);

4.把羊带回来(这岸变成RYB);

5.把白菜带到对岸(这岸剩下Y);

6.人回到这岸(这岸变成RY);

7.把羊带到对岸(这岸成为O)。

许多智力测验都是这种类型的问题。其中最有趣的问题之一是这样的(见下图):

A、B、C、D、E、F、G、H、I、J是10块木块,它们的各边长是1厘米或者2厘米,放在一个4厘米宽、5厘米长的木盒内。木盒边上有2厘米宽的一个缺口。只许木块在盒内移动,不许把它们拿出来,最后要让A从缺口的地方移出来。

解决这个问题,一般人需要几个小时。它也可以转化成一个在图上找道路的问题。这个图很大,用电子计算机可以很快解决这个问题。

如果把图的每一个箭头都注上一个数,表示距离或者花费的时间或者需要的车费,那么,我们还可以求最短的或者最节约时间的或者最省车费的路线。下面是一个山区地图,从A到B,每一段路需要用的时间都注明了。问怎么走最快?(见下图)

解决这种问题有许多办法。有一个很好的方法是:

图上从A直接到E的一段路要走7小时,但是从A到F、再到E,只用3+2=5小时就够了。因此,我们可以断定,最快的走法一定不走AE这段路。同样,FI、IB、GB、HI、DH都是用不着的。我们把它们从图上擦掉:(www.xing528.com)

再仔细看,FJ、ED、AD也是用不着的,也把它们擦掉,这个图可以简化成:

一看,IB是用不着的,把它擦掉后,图又简化成:

再一看,CD是用不着的,把它擦掉后,图再可以简化成:

最后擦掉A经C到G的路,就得到:

A-F-E-I-D-G-H-B。

这条路,总共用14小时就可以到达。

请你在开始的图上把这条路标记出来。走这条迂回曲折的道路,用的时间最少。

许多图上的问题,经过这样一步一步地调整,最后就能得到解答。

名师导读

现今社会的我们每个人在平时出行中都会选择导航,即使非常熟悉的路线,也可以通过导航看看是不是拥堵,一般情况下,导航软件都会给我们提供几条不同路线,我们可以根据导航提示的选择避开拥堵的路段,花最短的时间到达目的地。这与马教授在《最短路程问题》中所讲述的例子贴合,学会找到最好的一条路,往往可以帮我们解决许多别的问题。我们也把这种问题叫做优化问题。

在我们的数学课本中也有这样的问题,例如四年级数学好玩中的合理安排时间的问题。

例1:小明家来了客人,妈妈要给客人沏茶,烧水需要8分钟,洗水壶1分钟,洗茶杯2分钟,接水1分钟,找茶叶1分钟,沏茶1分钟,那么怎么能让客人尽快喝上茶呢?

我们可以通过画图梳理沏茶的步骤:

洗水壶(1分钟)→洗茶杯(2分钟)→接水(1分钟)→烧水(8分钟)→找茶叶(1分钟)→沏茶(1分钟)共14分钟

但想让客人尽快喝上茶,我们发现烧水时间比较长,在烧水时可以洗茶杯,找茶叶,但洗水壶、接水、烧水、沏茶需要按步骤来做,我们作出下图:

也就需要1+1+8+1=11(分钟),也就是最快11分钟可以让客人喝上茶。

例2:一口锅每次只能烙2张饼,每张饼两面都要烙,烙熟每面需要三分钟,烙3张饼至少需要多长时间呢?

解答:乍一看这个问题,我们先在锅中烙第一张饼和第二张饼的正面,需要3分钟,再烙第一张饼和第二张饼的反面,需要3分钟,然后烙第三张饼的正面需要3分钟,烙第三张饼的反面需要3分钟,一共是12分钟。但是这并不是烙好3张饼所需的最短时间。

先烙第一张饼和第二张饼的正面,需要3分钟,再烙第一张饼的反面和第三张饼的正面,需要3分钟,最后烙第二张饼的反面和第三张饼的反面,需要三分钟,一共需要9分钟。

通过调整烙饼的顺序,找到烙好饼所需要的最短时间。运用我们优化的思想,合理地安排好自己的时间,可以帮助我们在学习生活中提高效率,节约时间。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈