三个正整数的最小公倍数为480,求这样的三个数有多少种组合。
三个正整数的最小公倍数为480,求这样的三个数有多少种组合。
解法一:480=25·3·5。分两步进行考虑。
步骤一:
先考虑满足[x,y,z]=25的组合数,即求出有多少个满足条件的三元组 {x,y,z},每个三元组 {x,y,z} 要求x ≤ y ≤ z
25里素因数只有2,可知 z 只能为25。而a和b取值组合按取值相同与否分别有C(6,2)=15和C(6,1)=6种,于是求得满足[x,y,z]=25的情形的组合数为21。
步骤二:
在上面的基础上把3和5加进去,求满足[a,b,c]=25·3·5的情形的组合数,即求出有多少个满足条件的三元组 {a,b,c},每个三元组内部的三个数按因数2的数目由少到多排列。
把满足[x,y,z]=25的21个三元组分成以下三类分别考虑:
① x,y,z互不相等的情形
z固定为25,所以x和y的取值可能的组合数为C(5,2)=10。
任取其中一个三元组,比如{x,y,z}={1,2,25},往这个三元组里添加因数3,使得新得到的三元组{r,s,t}满足[r,s,t]=25·3
添加一个3,有C(3,1)=3种满足条件的组合,即{3·1,2,25}、{1,3·2,25}和{1,2,3·25}
添加两个3,有C(3,2)=3种满足条件的组合,即{3·1,3·2,25}、{3·1,2,3·25}和{1,3·2,3·25}
添加三个3,有C(3,3)=1种满足条件的组合,即{3·1,3·2,3·25}
一共有3+3+1=7种满足条件的组合(也可以由x、y、z都可以乘上一个3也可以不乘但至少有一个要乘上3求得,即2·2·2-1=7)。
此类的{x,y,z}有10个,故对应的{r,s,t}有10·7个。
易知每个新得到的三元组 {r,s,t} 依然保持着内部的三个数互不相等的特性。往这些三元组中任意一个里添加因数5,使得新得到的三元组{a,b,c}满足[a,b,c]=25·3·5,同样会有7种满足条件。
于是此类的10个{x,y,z}会得到满足题设条件的10·7·7=490种组合。
② x=y=z的情形
此类的{x,y,z}只有一个,即{25,25,25}
往这个三元组里添加因数3,使得新得到的三元组{r,s,t}满足[r,s,t]=25·3
易知添加一个3,两个3,三个3各只有一种满足条件的组合,不妨记为{25,25,3·25},{25,3·25,3·25},{3·25,3·25,3·25}
往这些{r,s,t}三元组中添加因数5,使得新得到的三元组{a,b,c}满足[a,b,c]=25·3·5
考虑{25,25,3·25}:
添加一个5,有2种组合,即{25,5·25,3·25}和{25,25,5·3·25}
添加两个5,有2种组合,即{5·25,5·25,3·25}和{25,5·25,5·3·25}
添加三个5,有1种组合,即{5·25,5·25,5·3·25}
即有2+2+1=5种满足题设的组合。
考虑 {25,3·25,3·25} 同样有5种满足题设的组合。
考虑{3·25,3·25,3·25},添加一个5、两个5、三个5各有1种满足题设条件的组合。
因此,此类的3个{x,y,z}会得到满足题设条件的5+5+3=13种组合。
③ x,y,z中恰有两数相等的情形
此类的{x,y,z}三元组有21-10-1=10个。以{x,y,z}={2,2,25}为例,来考虑添加3和5求满足题设条件的组合数。
添加一个3,可得到两种不同组合,即{2,2,3·25}和{2,3·2,25}
{2,2,3·25}里有两个数相等,往里添加5,如前所述有5种满足题设条件的组合;
{2,3·2,25}里三个数互不相等,往里添加5,如前所述有7种满足题设条件的组合。
5+7=12
添加两个3,可得两种不同组合,即{2,3·2,3·25}和{3·2,3·2,25}
{2,3·2,3·25}里三个数互不相等,往里添加5,有7种满足题设条件的组合;
{3·2,3·2,25}里有两数相等,往里添加5,有5种满足题设条件的组合。
7+5=12
添加三个3,可得一种组合,即{3·2,3·2,3·25}
{3·2,3·2,3·25}里有两数相等,往里添加5,同样有5种满足题设条件的组合。
12+12+5=29
此类的{x,y,z}三元组有10个,故有29·10=290种满足题设条件的组合。
综上,满足题设条件的组合数为490+13+290=793。
解法二:(葛永超提供)
480=25·3·5。三个正整数记作a、b、c,由题设有 [a,b,c] = 25·3·5。以下分步骤考虑。
步骤一:求满足[a,b,c] = 25·3·5的a、b、c的排列数
易知a、b、c里的素因数都只有2、3、5,于是有如下的素因数分解式:
a = 2R1·3S1·5T1
b = 2R2·3S2·5T2
c = 2R3·3S3·5T3
R1、R2、R3分别是a、b、c里的素因数2的个数,由题设知R1、R2、R3的取值均有6种(即0、1、2、3、4、5),且R1、R2、R3中至少有一个取最大值(即5);
S1、S2、S3分别是a、b、c里的素因数3的个数,由题设知S1、S2、S3的取值均有2种(即0、1),且S1、S2、S3中至少有一个取最大值(即1);
T1、T2、T3分别是a、b、c里的素因数5的个数,由题设知T1、T2、T3的取值均有2种(即0、1),且T1、T2、T3中少有一个取最大值(即1)。
用数学符号表示,即有如下三组约束关系:
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是最大值函数,N表示包含0的自然数集合。
用【a,b,c】表示满足 [a,b,c] = 25·3·5的所有排列,由上面的分析可知:
由a、b、c三个数组成的排列【a,b,c】和由满足①、②、③的R1、R2、R3、S1、S2、S3、T1、T2、T3九个数组成的排列具有一一对应关系,后者的一个排列可以用一个二重三元组(或一个3×3的矩阵)来表示,即{(R1,R2,R3), (S1,S2,S3), (T1,T2,T3)},简记为Π。
在Π里,(R1,R2,R3)是由R1、R2、R3三个数组成的子排列,(S1,S2,S3)是由S1、S2、S3组成的子排列, (T1,T2,T3)是由T1、T2、T3组成的子排列。这三个子排列相互独立。
先求满足①的全体子排列(R1,R2,R3)的数目。由①知,R1、R2、R3都有6种取值,于是可以有6·6·6种排列,但其中会有5·5·5种不满足max(R1,R2,R3) = 5,所以实际满足①的全体子排列(R1,R2,R3)的数目为:
63-53=91
同样,可得满足②的全体子排列(S1,S2,S3)的数目和满足③的全体子排列(T1,T2,T3)的数目均为:
23-13=7
于是全体Π的数目,也就是【a,b,c】的数目为:
91·7·7 = 4459
步骤二:求【a,b,c】中三数互不相等的排列数
【a,b,c】里一定存在两数相等的排列,先考虑a=b的情形。按前面的符号标记法,这里要求的就是【a,a,c】。
与a=b等价的约束关系为:R1=R2,S1=S2,T1=T2
因此,可以略去R2、S2、T2,前述的①、②、③,相应简化为如下三组约束关系:
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
同样,由前述的a、b、c的素因数分解式可知,由a、c两个数组成的排列【a,a,c】和由满足④、⑤、⑥的R1、R1、R3、S1、S1、S3、T1、T1、T3六个数组成的排列具有一一对应关系,后者的一个排列可以用一个二重三元组(或一个3×3的矩阵)来表示,即{(R1,R1,R3), (S1,S1,S3), (T1,T1,T3)},简记为Γ。
在Γ里,(R1,R1,R3)是由R1、R3两个数组成的子排列,(S1,S1,S3)是由S1、S3组成的子排列, (T1,T1,T3)是由T1、T3组成的子排列。这三个子排列相互独立。
由④知,R1、R3都有6种取值,于是可以有6·6种排列,但其中会有5·5种不满足max(R1,R3) = 5,所以实际满足④的全体子排列(R1,R1,R3)的数目为:
62-52=11
同样,可得满足⑤的全体子排列(S1,S1,S3)的数目和满足⑥的全体子排列(T1,T1,T3)的数目均为:
22-12=3
于是全体Γ的数目,也就是【a,a,c】的数目为:
11·3·3 = 99
而【a,a,a】的数目显然是1(即三个数都为480的一种排列),于是【a,a,c】(a≠c)的数目为:
99-1 = 98
同样,【a,b,a】(a≠b)以及【a,b,b】(a≠b)的数目均为98
于是【a,b,c】(a、b、c互不相等)的数目为:
4459-98·3-1=4164
步骤三:求满足[a,b,c] = 25·3·5的a、b、c的组合数
分三种情形考虑:
(1)a、b、c互不相等
此情形下,满足题设条件的组合数为:
4164 / 3! = 4164 / 6 = 694
(2)a=b=c
此情形下,满足题设条件的组合数为1
(3)a、b、c中恰有两数相等
此情形下,满足题设条件的组合数就等于【a,a,c】(a≠c)的数目,即98
综上,满足题设条件的组合数为694+1+98=793。
扩展分析:
如果把原题里的最小公倍数扩展为 p1u·p2·p3 (p1、p2、p3为互不相等的素数,u为正整数)的形式,解法一也可以同样应对(u=1时单独考虑);但要是扩展为p1u·p2v·p3w (p1、p2、p3为互不相等的素数,u、v、w为正整数)的形式,就不好应对了。
而解法二的方法则更具通用性,即便最小公倍数扩展为 p1q1·p2q2·...·pkqk (p1、p2、...、pk为互不相等的素数,q1、q2、...、qk为正整数) 的形式,也一样能应对。
以最小公倍数为p1u·p2v·p3w 为例:(以下【...】表示对应排列的数目,〖...〗表示对应组合的数目)
【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】
最后这个式子对最小公倍数扩展为 p1q1·p2q2·...·pkqk (p1、p2、...、pk为互不相等的素数,q1、q2、...、qk为正整数) 的一般情形都是成立的。