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Q2 問第一組乘積相同中最大的數,它的倍數相乘。例如:在(2:3:4:6:8)中,有第一組 乘積相同 2×8=4×4,在(2:4:8)中,問含有 8 的那張牌的倍數相乘。
Q3 問第二組乘積相同中最大的數,它的倍數相乘,如果這個數和 Q2 問的是同一個,那就要 問第二大的數,它的倍數相乘。例如:在(2:3:4:6:8)中,有第二組乘積相同 4×6=3×
8,在(3:4:6:8)中,因為 8 問過了,就改問含有 6 的那張牌的倍數相乘。因為到這裡已 經確定了每一種牌各有幾張,所以就不再問第三組乘積相同的最大數了。
在乘積相同的情況下,確定了最大的牌有幾張,同時就確定了最小的牌有幾張,剩下的 張數就是中間的牌,於是由此可以推論出,每一種牌各有幾張。
(2:4:8:16:32) 是最複雜的組合,都是 2 的次方組成的牌組,共有六組乘積相同的 情況:2×8=4×4; 2×16=4×8; 2×32=4×16; 4×16=8×8; 4×32=8×16; 8×32=16×16。
這時要使用的問題為 Q1 問五張相乘
Q2 問最大的數 32 的倍數相乘,看此題答案的質因數分解中 2 出現的次數除以 5,就知道有 幾張 32,如果 32 的數量沒超過四張則需問 Q3
Q3 問第二大的數 16 的倍數相乘,看此題答案的質因數分解中 2 出現幾次,先扣除 32 的,
再把 2 剩餘的出現次數除以 4,就知道有幾張 16,如果 32 和 16 的數量加起來沒超過 4 張 則需問 Q4
Q4 問第三大的數 8 的倍數相乘,看此題答案的質因數分解中 2 出現幾次,先扣除 32 和 16 的,再把 2 剩餘的出現次數除以 3 就知道有幾張 8,問完就可以知道整個牌組
這個問法也吻合上面(2:3:4:6:8)直接問每一組重複中最大的數的倍數相乘,因為 32、16 和 8 三題的倍數相乘即可概括。
所以,發生「乘積相同、張數恰好也相同」的情況,提問的順序會是 Q1:五張相乘
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Q2:乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘
Q3:第二組乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘 Q4:第三組乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘
(三) 特殊質因數法
從討論(一)比對法中,我發現可以觀察題目約定的五種數字,如果有哪一種數字,出現 了別種數字沒有的質因數,而且這個質因數,在 Q1 問五張相乘的結果中出現,就會很明顯 可以判斷出那種牌的張數,我把符合這種情況的質因數稱為特殊質因數,特殊質因數不一定 是像 47、31 這種較大的質數,如果是在「一個偶數,搭配四個奇數」的牌組中,2 就會是特 殊質因數。
用特殊質因數的觀點來思考,我決定 Q1 一律問五張相乘,做質因數分解之後,出現的 特殊質因數種類越多,提問次數就越少:
五種特殊質因數:五種牌都有特殊質因數,問 Q1,就知道每種牌各出現幾次。
四種特殊質因數:五種牌共有四種特殊質因數,觀察次方就可以知道它們出現的次數。
扣掉知道的,就會知道剩下幾張牌,張數和剩餘的乘積搭配,就會知道答案。
所以只要問一題五張相乘,就可以知曉最終牌組。
三種特殊質因數:三種特殊質因數有(P甲、P乙、P丙、P丙、P丙)和(P甲、P乙、P丙、P乙、P丙)兩 種類型,如果 Q1 尚無法完全解題,加問 Q2:「乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘」,就 可以確認是哪一種配對。
兩種特殊質因數:兩種特殊質因數有(P甲、P甲、P乙、P乙、P乙)和(P甲、P乙、P乙、P乙、P乙)兩 種類型,如果 Q1 尚無法完全解題,加問 Q2:「乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘」
但有些牌組中有兩組乘積相同的配對,這時候 Q2 只能問出其中一組,因此需要問 Q3:「第 二種乘積相同組合中,最大數的倍數相乘。」就能確認每張牌的數字。
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一種特殊質因數:只有一種特殊質因數是最複雜的一種情況,如果 Q1 尚無法完全解題,問 Q2:「乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘」
但有些牌組中有三組以上乘積相同的配對,這時候 Q2 只能問出其中一組,因此需要 Q3 甚 至 Q4,用同樣的提問規則,繼續分割乘積相同的組合。
只要觀察題目五種數字牌的特殊質因數,是否出現在五張相乘的質因數分解中,可以很 快的解出牌組的答案。
(四) 「次方」乘以「張數」法
經過上述討論,激發了靈感,我把原研究問題用新的角度看待:
每個牌組有五種數字,我們想要知道每種數字分別有幾張。假設第一種數到第五種數,
依序有 A、B、C、D、E 張,而每個數都可以寫成質因數分解 第一種數 = 2 a2 × 3 a3 × 5 a5 ×……× 47 a47
第二種數 = 2 b2 × 3 b3 × 5 b5 ×……× 47 b47 第三種數 = 2 c2 × 3 c3 × 5 c5 ×……× 47 c47 第四種數 = 2 d2 × 3 d3 × 5 d5 ×……× 47 d47 第五種數 = 2 e2 × 3 e3 × 5 e5 ×……× 47 e47
a n ≥ 0 有 A 張 b n ≥ 0 有 B 張 c n ≥ 0 有 C 張 d n ≥ 0 有 D 張 e n ≥ 0 有 E 張
Q1 五張相乘的結果,就是 (2 a2 × 3 a3 × 5 a5 ×……× 47 a47)A×(2 b2 × 3 b3 × 5 b5 ×……× 47 b47)B× (2 c2 × 3 c3 × 5 c5 ×……× 47 c47)C×(2 d2 × 3 d3 × 5 d5 ×……× 47 d47)D×(2 e2 × 3 e3 × 5 e5 ×……× 47 e47)E
= 2 T 2 × 3 T 3 × 5 T 5 ×……× 47 T 47
Tn ≥ 0
這麼一來,質數 2 的次方 T2,就會是上面每種牌的質數 2 的次方,乘以那種牌的張數:
質數 2 的次方 T 2 = A × a 2 + B × b 2 + C × c 2 + D × d 2 + E × e 2
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而且
質數 3 的次方 T3 = A × a 3 + B × b 3 + C × c 3 + D × d 3 + E × e 3 質數 5 的次方 T5 = A × a 5 + B × b 5 + C × c 5 + D × d 5 + E × e5
……
質數 47 的次方 T47 = A × a 47 + B × b 47 + C × c 47 + D × d 47 + E × e 47
五張相乘的質因數分解中,每出現一種質數,就會有一個「▲A+▼B+●C+★D+▇E =某數」
的算式。
我們想要知道每個數字分別出現幾次,就是要知道 A、B、C、D、E 分別是多少?
每一種牌組都有的條件,是總張數 A+B+C+D+E=5
「▲A+▼B+●C+★D+▇E =某數」就是我們得到的額外的條件,每個牌組至少有其中一 個算式,而有些牌組能得到很多個算式。
例如:
牌組抽出的五張牌都是由 12 和 18 組成,12=22×3,18= 2×32,但是不知道 12 和 18 各 有幾張。於是假設 12 有 A 張、18 有 B 張,我們想要知道 A 和 B 各是多少。
然後我們開始提問,提問 Q1 五張相乘,得到 2 8 × 3 7,這裡有 2 和 3 兩種質數,就可 以寫出兩個算式,於是我們擁有以下三個條件
條件 ○1 A+B=5
條件 ○2 質數 2 有 A × a2 + B × b2 = A × 2 + B × 1 = 8 條件 ○3 質數 3 有 A × a3 + B × b3 = A × 1 + B × 2 = 7
這裡我們可以看見,只使用條件 ○1 和 ○2,就能算出 A=3,B=2,得知牌組為 12、
12、12、18、18。
這個方法跟我之前解題,只剩兩張的時候,把剩餘的質數 2,依照牌組每個數字有幾個 2,來分配進去,結果只會有一種可能性,於是就確定了答案,是一樣的道理!
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這個道理就是:張數是條件、配對也是條件。
也就是說,2 個條件就足夠解出 A 和 B 兩個未知數,但是我們只問一題就總共得到 3 個 條件,所以只要提問 Q1 五張相乘,一題就可以解題成功。
用條件的觀點,回顧討論(三)特殊質因數法,如果要知道 A、B、C、D、E 五個未知 數,我發現
五種特殊質因數有的條件:○1 A+B+C+D+E=5
○2 ~○6 Q1 有五種特殊質因數,得知 5 個額外的條件
總共有 6 個條件,從討論(三)我們知道這種情況會解題成功 四種特殊質因數有的條件:○1 A+B+C+D+E=5
○2 ~○5 Q1 有四種特殊質因數,得知 4 個額外的條件
總共有 5 個條件,從討論(三)我們知道這種情況會解題成功 三種特殊質因數有的條件:○1 A+B+C+D+E=5
○2 ~○4 Q1 有三種特殊質因數,得知 3 個額外的條件
總共有 4 個條件,從討論(三)我們知道這種情況不一定解題成功 需問 Q2 來增加 1 個條件,增加後有 5 個條件,解題一定成功 二種特殊質因數有的條件:○1 A+B+C+D+E=5
○2 ~○3 Q1 有兩種特殊質因數,得知 2 個額外的條件
總共有 3 個條件,從討論(三)我們知道這種情況不一定解題成功 需問 Q2、Q3 來增加 2 個條件,共 5 個條件時解題一定成功 一種特殊質因數有的條件:○1 A+B+C+D+E=5
○2 Q1 只有一種特殊質因數,得知 1 個額外的條件
總共有 2 個條件,從討論(三)我們知道這種情況不一定解題成功 需問 Q2、Q3、Q4 來增加 3 個條件,共 5 個條件時解題一定成功
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從以上五個特殊質因數到一個特殊質因數的條件對應,我發現其中的規律:五個條件可 以保證解出五個未知數,如果 Q1 得到的條件不夠,就要增加提問來補足五個條件。
條件的觀點印證了我前面所有嘗試的結果:
(1) 當五張相乘的質因數分解出現四種以上的質因數時,只要問一題 Q1 就保證解題成功。
(2) 每少出現一個質因數,就要增加一題,所以前面舉例過的
牌組(2,3,4,6,8),有 2 和 3 兩種質因數,最多加問兩題一定解題成功;
牌組(2,4,8,16,32),只有 2 一種質因數,最多加問三題一定解題成功。
(3) 「最多加問三題保證成功」的意思是,有可能不需要這麼多題。
例如:牌組(2,4,8,16,32)
如果五張相乘=32,因為有五張牌,所以我直接知道這五張都是 2。
如果五張相乘=32768,共有十二種組合可以達成這個乘積,其中四種組合需要加問兩 題、另外八種組合需要加問三題。
到這裡,我可以知道在問幾題的範圍之內,一定可以得出答案,確定五種牌各有幾張:
最少需要問一題,Q1 問五張相乘,做質因數分解
(1) 出現四種以上的質數,直接確定五種牌各有幾張;
(2) 出現三種質數,最多加問一題;
(3) 出現兩種質數,最多加問兩題;
(4) 出現一種質數,最多加問三題。
柒、結論
(一) 解題步驟 Q1:五張相乘
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Q2:乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘
Q3:第二組乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘 Q4:第三組乘積相同的組合中,最大數的倍數相乘
依循這個規則,最少問一題,最多問四題,一定可以成功解題。
(二) 提問次數
第一題問五張相乘的質因數分解
(1) 出現四種以上的質數,直接確定五種牌各有幾張;
(2) 出現三種質數,最多加問一題;
(3) 出現兩種質數,最多加問兩題;
(4) 出現一種質數,最多加問三題。
在這個提問上限之內,一定可以成功解題。
捌、研究展望
我們在以上研究中,已經將逐步分析出有規律的解題步驟,未來希望可以將步驟寫成電 腦程式,不用每一個牌組都由人工從重新觀察數字關係開始,而可以由電腦直接依照我們的 研究結果執行解題。
玖、參考資料及其他
一、 黎懿瑩、林壽福(2018)。終極密碼。國立臺灣師範大學數學教育中心。
二、 王心禹、陳樂謙、古晴文(2020)。積少、乘多-分析數字關係,推理原始密碼。第 60 屆 高雄市中小學科學展覽會國小組數學。
三、 翰林版國小數學第 11 冊(2016)。最大公因數與最小公倍數。翰林出版社。