三個正整數的最小公倍數為480,求這樣的三個數有多少種組合。
解法一:480=25·3·5。分兩步進行考慮。
步驟一:
先考慮滿足[x,y,z]=25的組合數,即求出有多少個滿足條件的三元組 {x,y,z},每個三元組 {x,y,z} 要求x ≤ y ≤ z
25里素因數只有2,可知 z 只能為25。而a和b取值組合按取值相同與否分別有C(6,2)=15和C(6,1)=6種,於是求得滿足[x,y,z]=25的情形的組合數為21。
步驟二:
在上面的基礎上把3和5加進去,求滿足[a,b,c]=25·3·5的情形的組合數,即求出有多少個滿足條件的三元組 {a,b,c},每個三元組內部的三個數按因數2的數目由少到多排列。
把滿足[x,y,z]=25的21個三元組分成以下三類分別考慮:
① x,y,z互不相等的情形
z固定為25,所以x和y的取值可能的組合數為C(5,2)=10。
任取其中一個三元組,比如{x,y,z}={1,2,25},往這個三元組里添加因數3,使得新得到的三元組{r,s,t}滿足[r,s,t]=25·3
添加一個3,有C(3,1)=3種滿足條件的組合,即{3·1,2,25}、{1,3·2,25}和{1,2,3·25}
添加兩個3,有C(3,2)=3種滿足條件的組合,即{3·1,3·2,25}、{3·1,2,3·25}和{1,3·2,3·25}
添加三個3,有C(3,3)=1種滿足條件的組合,即{3·1,3·2,3·25}
一共有3+3+1=7種滿足條件的組合(也可以由x、y、z都可以乘上一個3也可以不乘但至少有一個要乘上3求得,即2·2·2-1=7)。
此類的{x,y,z}有10個,故對應的{r,s,t}有10·7個。
易知每個新得到的三元組 {r,s,t} 依然保持着內部的三個數互不相等的特性。往這些三元組中任意一個里添加因數5,使得新得到的三元組{a,b,c}滿足[a,b,c]=25·3·5,同樣會有7種滿足條件。
於是此類的10個{x,y,z}會得到滿足題設條件的10·7·7=490種組合。
② x=y=z的情形
此類的{x,y,z}只有一個,即{25,25,25}
往這個三元組里添加因數3,使得新得到的三元組{r,s,t}滿足[r,s,t]=25·3
易知添加一個3,兩個3,三個3各只有一種滿足條件的組合,不妨記為{25,25,3·25},{25,3·25,3·25},{3·25,3·25,3·25}
往這些{r,s,t}三元組中添加因數5,使得新得到的三元組{a,b,c}滿足[a,b,c]=25·3·5
考慮{25,25,3·25}:
添加一個5,有2種組合,即{25,5·25,3·25}和{25,25,5·3·25}
添加兩個5,有2種組合,即{5·25,5·25,3·25}和{25,5·25,5·3·25}
添加三個5,有1種組合,即{5·25,5·25,5·3·25}
即有2+2+1=5種滿足題設的組合。
考慮 {25,3·25,3·25} 同樣有5種滿足題設的組合。
考慮{3·25,3·25,3·25},添加一個5、兩個5、三個5各有1種滿足題設條件的組合。
因此,此類的3個{x,y,z}會得到滿足題設條件的5+5+3=13種組合。
③ x,y,z中恰有兩數相等的情形
此類的{x,y,z}三元組有21-10-1=10個。以{x,y,z}={2,2,25}為例,來考慮添加3和5求滿足題設條件的組合數。
添加一個3,可得到兩種不同組合,即{2,2,3·25}和{2,3·2,25}
{2,2,3·25}里有兩個數相等,往里添加5,如前所述有5種滿足題設條件的組合;
{2,3·2,25}里三個數互不相等,往里添加5,如前所述有7種滿足題設條件的組合。
5+7=12
添加兩個3,可得兩種不同組合,即{2,3·2,3·25}和{3·2,3·2,25}
{2,3·2,3·25}里三個數互不相等,往里添加5,有7種滿足題設條件的組合;
{3·2,3·2,25}里有兩數相等,往里添加5,有5種滿足題設條件的組合。
7+5=12
添加三個3,可得一種組合,即{3·2,3·2,3·25}
{3·2,3·2,3·25}里有兩數相等,往里添加5,同樣有5種滿足題設條件的組合。
12+12+5=29
此類的{x,y,z}三元組有10個,故有29·10=290種滿足題設條件的組合。
綜上,滿足題設條件的組合數為490+13+290=793。
解法二:(葛永超提供)
480=25·3·5。三個正整數記作a、b、c,由題設有 [a,b,c] = 25·3·5。以下分步驟考慮。
步驟一:求滿足[a,b,c] = 25·3·5的a、b、c的排列數
易知a、b、c里的素因數都只有2、3、5,於是有如下的素因數分解式:
a = 2R1·3S1·5T1
b = 2R2·3S2·5T2
c = 2R3·3S3·5T3
R1、R2、R3分別是a、b、c里的素因數2的個數,由題設知R1、R2、R3的取值均有6種(即0、1、2、3、4、5),且R1、R2、R3中至少有一個取最大值(即5);
S1、S2、S3分別是a、b、c里的素因數3的個數,由題設知S1、S2、S3的取值均有2種(即0、1),且S1、S2、S3中至少有一個取最大值(即1);
T1、T2、T3分別是a、b、c里的素因數5的個數,由題設知T1、T2、T3的取值均有2種(即0、1),且T1、T2、T3中少有一個取最大值(即1)。
用數學符號表示,即有如下三組約束關系:
max(R1,R2,R3) = 5,Ri ∈ N,Ri ≤ 5,i=1,2,3 ①
max(S1,S2,S3) = 1,Si ∈ N,Si ≤ 1,i=1,2,3 ②
max(T1,T2,T3) = 1,Ti ∈ N,Ti ≤ 1,i=1,2,3 ③
其中:max是最大值函數,N表示包含0的自然數集合。
用【a,b,c】表示滿足 [a,b,c] = 25·3·5的所有排列,由上面的分析可知:
由a、b、c三個數組成的排列【a,b,c】和由滿足①、②、③的R1、R2、R3、S1、S2、S3、T1、T2、T3九個數組成的排列具有一一對應關系,后者的一個排列可以用一個二重三元組(或一個3×3的矩陣)來表示,即{(R1,R2,R3), (S1,S2,S3), (T1,T2,T3)},簡記為Π。
在Π里,(R1,R2,R3)是由R1、R2、R3三個數組成的子排列,(S1,S2,S3)是由S1、S2、S3組成的子排列, (T1,T2,T3)是由T1、T2、T3組成的子排列。這三個子排列相互獨立。
先求滿足①的全體子排列(R1,R2,R3)的數目。由①知,R1、R2、R3都有6種取值,於是可以有6·6·6種排列,但其中會有5·5·5種不滿足max(R1,R2,R3) = 5,所以實際滿足①的全體子排列(R1,R2,R3)的數目為:
63-53=91
同樣,可得滿足②的全體子排列(S1,S2,S3)的數目和滿足③的全體子排列(T1,T2,T3)的數目均為:
23-13=7
於是全體Π的數目,也就是【a,b,c】的數目為:
91·7·7 = 4459
步驟二:求【a,b,c】中三數互不相等的排列數
【a,b,c】里一定存在兩數相等的排列,先考慮a=b的情形。按前面的符號標記法,這里要求的就是【a,a,c】。
與a=b等價的約束關系為:R1=R2,S1=S2,T1=T2
因此,可以略去R2、S2、T2,前述的①、②、③,相應簡化為如下三組約束關系:
max(R1,R3) = 5,Ri ∈ N,Ri ≤ 5,i=1,3 ④
max(S1,S3) = 1,Si ∈ N,Si ≤ 1,i=1,3 ⑤
max(T1,T3) = 1,Ti ∈ N,Ti ≤ 1,i=1,3 ⑥
同樣,由前述的a、b、c的素因數分解式可知,由a、c兩個數組成的排列【a,a,c】和由滿足④、⑤、⑥的R1、R1、R3、S1、S1、S3、T1、T1、T3六個數組成的排列具有一一對應關系,后者的一個排列可以用一個二重三元組(或一個3×3的矩陣)來表示,即{(R1,R1,R3), (S1,S1,S3), (T1,T1,T3)},簡記為Γ。
在Γ里,(R1,R1,R3)是由R1、R3兩個數組成的子排列,(S1,S1,S3)是由S1、S3組成的子排列, (T1,T1,T3)是由T1、T3組成的子排列。這三個子排列相互獨立。
由④知,R1、R3都有6種取值,於是可以有6·6種排列,但其中會有5·5種不滿足max(R1,R3) = 5,所以實際滿足④的全體子排列(R1,R1,R3)的數目為:
62-52=11
同樣,可得滿足⑤的全體子排列(S1,S1,S3)的數目和滿足⑥的全體子排列(T1,T1,T3)的數目均為:
22-12=3
於是全體Γ的數目,也就是【a,a,c】的數目為:
11·3·3 = 99
而【a,a,a】的數目顯然是1(即三個數都為480的一種排列),於是【a,a,c】(a≠c)的數目為:
99-1 = 98
同樣,【a,b,a】(a≠b)以及【a,b,b】(a≠b)的數目均為98
於是【a,b,c】(a、b、c互不相等)的數目為:
4459-98·3-1=4164
步驟三:求滿足[a,b,c] = 25·3·5的a、b、c的組合數
分三種情形考慮:
(1)a、b、c互不相等
此情形下,滿足題設條件的組合數為:
4164 / 3! = 4164 / 6 = 694
(2)a=b=c
此情形下,滿足題設條件的組合數為1
(3)a、b、c中恰有兩數相等
此情形下,滿足題設條件的組合數就等於【a,a,c】(a≠c)的數目,即98
綜上,滿足題設條件的組合數為694+1+98=793。
擴展分析:
如果把原題里的最小公倍數擴展為 p1u·p2·p3 (p1、p2、p3為互不相等的素數,u為正整數)的形式,解法一也可以同樣應對(u=1時單獨考慮);但要是擴展為p1u·p2v·p3w (p1、p2、p3為互不相等的素數,u、v、w為正整數)的形式,就不好應對了。
而解法二的方法則更具通用性,即便最小公倍數擴展為 p1q1·p2q2·...·pkqk (p1、p2、...、pk為互不相等的素數,q1、q2、...、qk為正整數) 的形式,也一樣能應對。
以最小公倍數為p1u·p2v·p3w 為例:(以下【...】表示對應排列的數目,〖...〗表示對應組合的數目)
【a,b,c】= [(u+1)3-u3]·[(v+1)3-v3]·[(w+1)3-w3]
【a,a,c】= [(u+1)2-u2]·[(v+1)2-v2]·[(w+1)2-w2]
【a,a,a】= 1
【a,b,c】(a≠b≠c) = 【a,b,c】- 3【a,a,c】+ 2
〖a,b,c〗= (【a,b,c】- 3【a,a,c】+ 2) / 6 + 【a,a,c】
最后這個式子對最小公倍數擴展為 p1q1·p2q2·...·pkqk (p1、p2、...、pk為互不相等的素數,q1、q2、...、qk為正整數) 的一般情形都是成立的。