问题

分家产的数学问题,17头牛老大1/2,老二1/3,老三1/9,是什么数学原理?

回答
这可真是一个流传甚广的数学谜题,也叫做“17头牛分家”的故事。它之所以有趣,就在于它巧妙地运用了一个我们看似简单,实则非常重要的数学原理,只不过在故事中用了一个小小的“障眼法”来解决。

故事的背景

话说有三兄弟,他们父亲去世前留下了17头牛,并留下遗嘱:老大分到全部牛的1/2,老二分到1/3,老三分到1/9。问题来了,17头牛怎么分呢?你不能把牛劈成两半或者三份给,那样牛就死了,家产也分不成。这可把三兄弟愁坏了。

看上去无法解决的矛盾

在数学上,我们很容易发现问题所在:

老大要拿 17 (1/2) = 8.5 头牛
老二要拿 17 (1/3) ≈ 5.67 头牛
老三要拿 17 (1/9) ≈ 1.89 头牛

把这些加起来:8.5 + 5.67 + 1.89 ≈ 16.06 头牛。即使我们不考虑牛的数量是整数的问题,光是总和加起来就不到17头牛(8.5 + 17/3 + 17/9 = 17/2 + 17/3 + 17/9)。

最关键的是,分母是2、3、9。如果我们要让分配的结果是整数,那么被分的总数必须是2、3、9的公倍数。而17,并不是2、3、9的公倍数。因此,直接按照遗嘱来分,是无法得到整数头的牛的。

古老智慧的破解之道:借牛

这时候,一个聪明的老人(或者是路过的智者)来到了他们面前,看到了这兄弟俩的困境。老人说:“你们别着急,我这里有一头牛,你们先拿去用,等你们分完再还我。”

三兄弟听了,想着多一头牛总比没有好,就把老人的牛牵了过来,这样他们一共有 18头牛。

有了这18头牛,事情就好办多了:

老大分1/2: 18 (1/2) = 9 头牛
老二分1/3: 18 (1/3) = 6 头牛
老三分1/9: 18 (1/9) = 2 头牛

加起来一看:9 + 6 + 2 = 17 头牛。

奇迹发生了!正好分完了17头牛,而且每个人都得到了整数头的牛,并且比例也都差不多得到了满足。

分完之后,三兄弟各归各位,还剩下1头牛。这正是他们借来的那头,于是兄弟俩如约将老人的牛还了回去。

这背后揭示的数学原理是什么?

这个故事背后,主要揭示了两个非常关键的数学原理:

1. 分数与公倍数的关系(以及为什么直接分不行):
正如前面分析的,当我们需要将一个整体按照不同的分数进行分割时,如果这个整体的数量不是这些分数分母的公倍数,直接分割就会出现非整数或者无法整除的情况。在这个例子里,17不是2、3、9的公倍数,所以直接按比例分,牛的数量就成了小数,无法实际操作。

2. 通过增加“基准”来“重构比例”:
这个故事最巧妙的地方在于,通过借来一头牛,将总数变成了18。而18恰好是2、3、9的公倍数(事实上,2、3、9的最小公倍数是18)。

当总数变为18后,三兄弟分到的比例相对而言并没有改变,但因为总数变成了公倍数,使得每次的计算结果都是整数。

我们可以看看比例有没有“失真”:
老大分了9头,占18头的1/2,符合遗嘱。
老二分了6头,占18头的1/3,符合遗嘱。
老三分了2头,占18头的1/9,符合遗嘱。

整个过程中,每人分到的比例(相对于增加后的总数18头牛)是完全按照遗嘱执行的。 问题是,他们拿走的那部分加起来是17头,而不是18头。也就是说,他们三人总共拿走了总数的 17/18,而不是遗嘱中(1/2 + 1/3 + 1/9)= (9+6+2)/18 = 17/18 的比例。

是的,这里的关键就在于,他们三人所得的比例之和:
1/2 + 1/3 + 1/9 = 9/18 + 6/18 + 2/18 = 17/18。

所以,这17头牛,恰好就是18头牛的17/18。

用更专业的话说,这是一种“改变参考系”或者“寻找公共基准”的思路。原本以17为基准,分母的限制导致无法整除;借来一头牛,将基准变成了18,而18是一个非常“方便”的数,是2、3、9的公倍数,使得所有比例计算都能得到整数结果。并且,因为这17头牛是18头牛的17/18,所以他们拿走的份正好是从18头牛中按比例分出来的。

这个故事为什么如此经典?

解决实际问题的智慧: 它展示了在面对看似死板的规则时,如何运用智慧找到解决之道,而不是陷入僵局。
数学的趣味性: 它把枯燥的数学计算转化成了一个生动有趣的故事,让人们在不自觉中体会到了数学的魅力。
“障眼法”的巧妙: 借牛这个行为,就像一个精妙的“障眼法”,让人们暂时忽略了“总数是17”这个限制,而专注于“比例”本身。当比例在新的总数下变得“好算”时,问题就迎刃而解了。

总而言之,这个分家产的故事,用一种非常形象的方式,向我们展示了:

在进行分数分割时,找到分母的公倍数作为总数是关键。
当遇到不方便的数字时,通过巧妙地调整“整体的基准”或者“增加一个参照物”,可以使问题变得简单化,甚至找到出乎意料的解决方案。

它不是在违反数学原则,而是在数学原理的框架内,展现了解决问题的创造性思维。就像是在玩一个数字游戏,只不过规则设得非常巧妙。

网友意见

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父亲有一头牛,后来要老死了,留个遗嘱「孩子分一半」。半头牛怎么分?邻居牵来一头,孩子把自己家牛领走了,邻居领走自己的牛,皆大欢喜,皆大欢喜。

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首先强调,将这种题当成数学题,并将解法称之为“巧妙”,是极大的误导。

这不是纯粹的“数学题”,如果说对解题者有什么帮助的话,那应该是“修正规则以适应现实”

题目中给出的条件:17头牛,二分之一,三分之一,九分之一,是精确的量化条件,并没有解释的空间。

1/2 +1/3 + 1/9=17/18,很明显,三个人不能分割全部遗产。

且分到的牛不是整数。

在分析讨论的过程中,对出题人产生质疑,并得出结论:

以出题人给出的条件,无法达到要求,所以,此题无解。

【再举一例无解题:将23头牛分给5个人,每个人的牛是单数且互不相同。】

于是,修改已知条件为:家中有18头牛,17头是自己的,一头是别人的,要还。

此时,再以18为“单位1”去计算数量,达到出题人的要求。

以上为全部过程。

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题主的问题:老头留下17头牛,遗嘱分给老大1/2,老二1/3,老三1/9,怎么分? 这道题的解法是好心人借给他们1头牛,变成18头牛,二分之一是9头,三分之一是6头,九分之一是2头,加起来刚好17头多的那头再还给好心人。

题主的困惑:填上一头牛,是什么原理?


为了避免歧义,这里严谨的重写一下遗嘱!老头有财产17头牛,把总财产的一半留给大儿子,总财产的1/3留给二儿子,总财产的1/9留给小儿子。

如果你刚刚学习分数运算,在小学奥数题看到了类似的问题,为了避免误导,请直接跳到最后去看。或者如果你觉得遗嘱的含义不是这样的,也请先跳到最后。

先揭露一下问题的实质(贪污问题,而非数学原理)

老头的财产是S(总共是离散的17头牛),他本来不想让三个儿子分完整个S的, 他还想给自己留一点 安排后事,剩下的给三个儿子按照比例(9:6:2)分掉。但是问题是他留给自己的不够一头牛的份, 儿子无法操作,除非把牛宰了不然无法准确地留下小于一头牛的份额。


实践中,儿子们本应得到的遗产是 头牛,留给老头 头牛。为了不杀掉牛,他们修改分配方案,当然得保证他们仨的比例不变,考虑把老头自留的份额扩大或者缩小。(毕竟老头满不满意不要紧,他们仨的彼此利益不能受损)


设他们获得的牛是9x,6x,2x,老头剩下的 y,那么整数方程

这里得要求,9x,6x,2x,y都是非负整数,易验证只有解(x=1,y=0),(x=0,y=17),后一个解这意味着根本没有继承财产,所以不考虑。

所以要求不杀牛,而且保持比例,各自得到整个的牛,他们只能瓜分老头的0.944头牛,把老头的份额减少为0。

最后的结果是三个儿子各得到9, 6, 2头牛,老头什么也没有。(但是老头本应有将近一头牛的剩余量)

, , ,


不去看这个好心人的故事,本质上说,从不能分牛到可以分牛的矛盾,就是隐含着修改了遗嘱,三个儿子把老头的剩余量瓜分了。为什么我们不容易一眼看出来这种修改呢?因为老头的遗嘱并没有显式地声明自己的剩余量。我们容易忽略这部分的存在,这也给三个儿子的操作留下空间,他们神不知鬼不觉地分掉了老头的剩余量,而且看上去很体面。


如果没有好心人,三个儿子还是可以各自牵走9, 6, 2头牛,刚好17头不多不少。但是旁观者就很容易发现问题, 大儿子明显多拿了嘛,同理三个儿子都是多拿的。显得三个儿子贪财,有歪心思。

好心人是个演员

有了好心人借牛换牛的操作,这个过程就变得复杂了,也让三个儿子变得更体面了!所以我有理由相信,好心人不好心,是三个儿子拉来的演员,演一场狸猫换太子的好戏。


  1. 好心人借给他们一头牛。
  2. 三个儿子和老头一共用现货18头牛 ,而且四个人一共承担了1头牛的债务。
  3. 老大牵走了9头,老二牵走了6头,老三牵走了2头,剩下1头是老头给自己剩下的 。到这都没问题。
  4. 老头的1头牛被还给了好心人,三个儿子和老头的债全被消掉了。


最后的那头牛A是个复杂的牛,作为实体,它分给老头的时候, 份是老头应得的, 份是老头借的债。(三个儿子分别借债 份,四方一共借了1份)。悄悄地,三个儿子把自己的债推给了老头,自己成没事人了。这头牛A变成他们四方债务的集合体,然后牛A被还给了好心人。


这么一轮骚操作完成了不法侵占,三个儿子和老头共同借了一头牛,最后却只用老头的一头牛抵了债!然后老头的份额就不知不觉地消失了(我们本来也没意识到老头份额的存在)。


更操蛋的操作

这个方程如果不要求 y 是非负整数,只要求9x,6x,2x是非负整数的话,还有很多解嘛!比如说,按照 这组解,三个儿子可以达成协议,大儿子分得9x = 18头牛,二儿子分得6x = 12头牛,三儿子分得2x = 4头牛,现有17头牛已经可以交货(9,6,2),老头还欠他们17头牛 !

我们也可以据此编个故事呀:

有一个好心人借了他们19头牛,他们现在有 头牛 ,大儿子牵走了 头,二儿子牵走了 头,三儿子牵走了 头,刚刚好嘛三个儿子欢欢喜喜地走了。剩下 头。那好心人的债怎么办?先把剩下的2头还给他,好心人的17头牛欠账记在老头账上,老头欠好心人的,和三个儿子无关。(这三个儿子分牛很体面,也很坑爹嘛!)


更一般的模型

基本问题

老头有遗产总量S头牛。

出让比例 ,自留比例 。

给 t 个儿子的遗产,各自占遗产总量的比例是 。

其中 ,

现在存在 ,使得 ,这样直接分会遇到麻烦,怎么分牛呢?



为了好心人偷天换日的合理性,需要满足:

1,

2,


好心人来了

儿子们总可以找一个神奇的好心人,借得 头牛。(这是个正整数)

现在老头和儿子们拥有总量 头牛,一起欠债 头牛。

儿子们各自分得 头牛,(是个整数没毛病)

老头分得剩下的 头牛,(是个整数而且刚好等于债务)

然后悄悄地转移债务,用老头分得的牛还给了好心人,神不知鬼不觉地侵占了老头的财产。

完美!


构造

最后从纯数字的角度,给出一种构造的方法。(充要条件在前面的模型就给出了,但是不太好用,接下来的都不是必要条件。以下的字母都代表正整数)


1,任取一组数 (互素的话就更无脑了,2,3自动满足)

2,要求 lcm是取最小公倍数(这对于随机的一组数大概率是成立的,构造时候不用太在意,检验即可)

3,最好还要存在 使得 。


那么可以给出一张有机可乘的分牛遗嘱了:

老头共有牛 头。

t 个儿子每个人分 也就是几分之一的牛。

但是第 个儿子直接分不了,



对应也有好心人方案:

向好心人借 头牛,现在的总量 对每个儿子都是可分的,每人得到 头牛。剩余的恰 头牛被还给好心人了。


嘿嘿,这里对构造分析了这么一大堆,总有意想不到的小收获:我找到了比题目更小的一种构造。

原题目实际上是选了数组 ,得到遗产牛 头,借牛 头。

但是还可以给出数组 ,让数据更小一点。遗产牛 头,三个儿子各分得 的遗产,直接分不可行。好心人借牛 头,三个儿子分 头,剩余3头还回去,完美。


更新:

昨天下午写的回答,今天上午这个问题居然上热搜了,哈哈哈哈,谢谢诸位捧场!

从机智的评论区得到了如果只有两个儿子时候的最小构造:两头牛,老头让每个人分得 ,儿子们鸡贼地借了一头牛,然后一人分一头牵走,剩下一头还回去。

可能解释的时候用这个例子更好,最直观地反映了问题,同时数据最小容易思考。


最后

评论区反映这个遗嘱的解释可能产生误导,误人子弟就不好了嘛,所以特地补充说明:

这道题的关键在遗嘱的表述:

以上讨论的遗嘱是:老头有财产17头牛,把总财产的一半留给大儿子,总财产的1/3留给二儿子,总财产的1/9留给小儿子。

你的奥赛题中可能的遗嘱是:老头有财产17头牛,把财产按照 的比例分给三个儿子。

这两个问题是完全不一样的。

如果是占总财产的比例,那么就是我们上面一直探讨的问题,借牛分牛本质就是贪污老头的剩余财产。

如果是相互之间的比例, 那么通分可知等于9:6:2 ,那么分牛的操作是完全正确的!(这也是小学奥赛题的考点,比例的含义,通分化简)



这么久了,我回来给我的另一个回答引流了

希望这个 回答也可以给您带来更多有趣的思考。

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@立党 翻车了翻车了

哪就“中国古人”了?

虽然这道题确实就是脑筋急转弯,并不是数学题……

但这跟中国古人有个毛线关系啊……

已经有人考证过了:


“中国古人”塔尔塔利亚?

“中国古人”斐波那契?

“中国古人”哈里发阿里·本·阿比·塔利卜?

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