Tài liệu ôn tập và bài tập môn Toán Lớp 9 - Chuyên đề: Nguyên lý bất biến trong giải toán (có đáp án)

CHUYÊN ĐỀ.NGUYÊN LÝ BẤT BIẾN TRONG GIẢI TOÁN
KIẾN THỨC CẦN NHỚ
1. Nguyên lý bất biến.
Cho a, b, c là những số thực ta xét tổng . Nếu ta đổi chỗ a cho b, b cho c, c cho a, thì tổng S luôn luôn chỉ là một (không đổi). Tổng này không thay đổi đối với thứ tự phép cộng. Dù a, b, c có thay đổi thứ tự như thế nào chăng nữa S vẫn không thay đổi, nghĩa là S bất biến đối với việc thay đổi các biến khác. Trong thực tế cũng như trong toán học, rất nhiều vấn đề liên quan đến một số đối tượng nghiên cứu lại bất biến đối với sự thay đổi của nhiều đối tượng khác. 
2. Các bước áp dụng nguyên lý bất biến khi giải toán
Để giải toán được bằng đại lượng bất biến ta thực hiện theo các bước sau:
+ Bước 1: Ta phải phát hiện ra những đại lượng bất biến trong bài toán. Bước này tương đối khó nếu ta không luyện tập thường xuyên.
+ Bước 2: Xử lý tiếp đại lượng bất biến để tìm ra các điểm mâu thuẫn. 
B. BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài toán 1. Trên bảng ta viết 10 dấu cộng và 15 dấu trừ tại các vị trí bất kỳ. Ta thực hiện xóa 2 dấu bất kỳ trong đó và viết vào đó 1 dấu cộng nếu xóa 2 dấu giống nhau và 1 dấu trừ nếu xóa 2 dấu khác nhau. Hỏi trên bảng còn lại dấu gì nếu ta thực hiện thao tác trên 24 lần?
Hướng dẫn giải
Ta thay mỗi dấu cộng là số 1 và mỗi dấu trừ là -1. Ta thấy tích của các số trên bảng là -1. Mà theo cách thực hiện của bài thì ta xóa đi 2 số và viết vào đó tích của 2 số đó, đồng thời ta chỉ thực hiện 24 lần nên suy ra tích của tất cả các số trên bảng sẽ không đổi như vậy tích các số trên bảng luôn bằng -1. Do đó, khi thực hiện thao tác 24 lần thì trên bảng còn lại dấu - .
Bài toán 2. Giả sử n là 1 số lẻ ta viết lên bảng các số từ 1 đến 2n, sau đó chọn ra 2 số bất kỳ a và b và viết lại 1 số bằng . Chứng minh rằng số cuối cùng còn lại trên bảng là 1 số lẻ.
Hướng dẫn giải
Tổng của các số trên bảng ban đầu là: S = 1 + 2 + .+ 2n = n(2n + 1). Ta thấy n lẻ nên S lẻ. Mà với các thao tác trong bài thì tổng sẽ giảm đi 2.min do đó tính chãn lẻ của tổng không đổi. Vì ban đầu S là số lẻ nên số cuối cùng còn lại trên bảng là số lẻ.
Bài toán 3. Cho các số 2,8,1,0,1,9,9,5 được viết trên 1 vòng tròn. Cứ 2 số cạnh nhau ta cộng thêm 1 vào 2 số đó. Hỏi sau 1 số lần thực hiện thao tác trên các số trên vòng tròn có thể đều bằng nhau được không?
Hướng dẫn giải
Ta nhận thấy tổng các số trong vòng tròn là 1 số lẻ nên khi thực hiện các thao tác trên thì tổng tăng lên 2 nên tính chẵn lẻ của tổng không đổi. Mặt khác số các số trên vòng tròn là chẵn nên nếu các số đều bằng nhau thì tổng của nó bây giờ là số lẻ suy ra mâu thuẫn. 
Bài toán 4. Một tờ giấy bị cắt nhỏ thành 6 mảnh hoặc 11 mảnh. Các mảnh nhận được lại có thể chọn để cắt (thành 6 mảnh hoặc 11 mảnh nhỏ hơn) ... Cứ như vậy ta có thể nhận được 2005 mảnh cắt không ? 
Hướng dẫn giải
Sau mỗi lần cắt một mảnh giấy thành 6 mảnh hoặc 11 mảnh thì số mảnh giấy tăng lên là 5 hoặc 10. Như vậy tính bất biến của bài toán là “số mảnh giấy luôn tăng lên một bội số của 5”. Vậy số mảnh giấy sau các lần cắt có dạng 1 + 5k, mặt khác 2005 có dạng 5k nên với cách cắt như trên, từ một tờ giấy ban đầu, ta không thể cắt được thành 2005 mảnh. 
Bài toán 5. Mỗi số trong dãy 21, 22, 23, ..., 22005 
đều được thay thế bởi tổng các chữ số của nó. Tiếp tục làm như vậy với các số nhận được cho tới khi tất cả các số đều có 1 chữ số. Chứng minh trong dãy này : số các số 2 nhiều hơn số các số 1. 
Hướng dẫn giải
Ta thấy : “Số tự nhiên A và tổng các chữ số của A luôn cùng số dư trong phép chia cho 9”. 
Mặt khác ta có : 21 chia cho 9 dư 2 ; 
22 chia cho 9 dư 4 ; 23 chia cho 9 dư 8 ; 
24 chia cho 9 dư 7 ; 25 chia cho 9 dư 5 ; 
26 chia cho 9 dư 1 ; 27 chia cho 9 dư 2 ; ... 
Do đó 26k + r lần lượt nhận các số dư trong phép chia cho 9 là 2, 4, 8, 7, 5, 1 tương ứng với các giá trị của r là 1, 2, 3, 4, 5, 0. Dãy cuối cùng nhận được gồm 2005 số thuộc tập hợp {2 ; 4 ; 8 ; 7 ; 5 ; 1}. 
Ta có 2005 = 334 x 6 + 1 nên dãy cuối cùng có 335 số 2 (nhiều hơn số các số khác 1 số). Vậy số các số 2 nhiều hơn số các số 1 đúng 1 số. 
Bài toán 6. Một hình tròn được chia thành 10 ô hình quạt, trên mỗi ô người ta đặt 1 viên bi. Nếu ta cứ di chuyển các viên bi theo quy luật : mỗi lần lấy ở 2 ô bất kì mỗi ô 1 viên bi, chuyển sang ô liền kề theo chiều ngược nhau thì có thể chuyển tất cả các viên bi về cùng 1 ô hay không ? 
Hướng dẫn giải
Trước tiên, ta tô màu xen kẽ các ô hình quạt, như vậy sẽ có 5 ô được tô màu (ô màu) và 5 ô không được tô màu (ô trắng). Ta có nhận xét : 
Nếu di chuyển 1 bi ở ô màu và 1 bi ở ô trắng thì tổng số bi ở 5 ô màu không đổi. 
Nếu di chuyển ở 2 ô màu, mỗi ô 1 bi thì tổng số bi ở 5 ô màu giảm đi 2. Nếu di chuyển ở 2 ô trắng, mỗi ô 1 bi thì tổng số bi ở 5 ô màu tăng lên 2. 
Vậy tổng số bi ở 5 ô màu hoặc không đổi, hoặc giảm đi 2 hoặc tăng lên 2. Nói cách khác, tổng số bi ở 5 ô màu sẽ không thay đổi tính chẵn lẻ so với ban đầu. 
Ban đầu tổng số bi ở 5 ô màu là 5 viên (là số lẻ) nên sau hữu hạn lần di chuyển bi theo quy luật trên thì tổng số bi ở 5 ô màu luôn khác 0 và khác 10, do đó không thể chuyển tất cả các viên bi về cùng 1 ô. 
C. BÀI TẬP ÁP DỤNG
Bài 1:Một tờ giấy được xe thành 6 mảnh, lại xé 1 trong 6 mảnh nhỏ đó thành 6 mảnh nhỏ khác. Cứ tiếp tục như vậy hỏi có khi nào được 1995 hoặc 2011 mảnh nhỏ hay không?
Bài 2: Trong một bảng ô vuông 100x100 ô được điền dấu( + )và dấu ( - ) . Một bước thực hiện bằng cách đổi toàn bộ những dấu ở 1 hàng hoặc 1 cột nào đó sang dấu ngược lại hỏi sau hữu hạn bước làm như trên bảng ô vuông nhận được đúng 1970 dấu (–) không.
Bài 3: Trên bảng có các số . Mỗi 1 lần thực hiện cho phép xóa đi 2 số a;b bất kỳ trên bảng và thay bằng a + b - 2ab hỏi sau 95 lần thực hiện phép xóa thì số còn lại trên bảng là số nào?
Bài 4: Hai người chơi 1 trò chơi với 2 đống kẹo. Đống thứ nhất có 12 cái và đống thứ 2 có 13 cái mỗi người chơi được lấy 2 cái kẹo từ 1 trong 2 đống kẹo hoặc chuyển 1 cái kẹo từ đống thứ nhất sang đống thứ 2. Người chơi nào không thể thực hiện các thao tác trên là như thua. Hãy chứng minh rằng người chơi thứ 2 không thể thua, người đó có thể thắng không?
Bài 5. Trên bảng ghi một số nguyên dương có hai chữ số trở lên. Người ta thiết lập số mới bằng cách xóa đi chữ số hàng đơn vị của số đã cho, sau đó cộng vào số còn lại 7 lần số vừa bị xóa. Ban đầu trên bảng ghi số 6100. Hỏi sau một số bước thực hiện như trên ta có thể thu được 1006 hay không ? Tại sao ?
Bài 6. Giả sử rằng n là một số lẻ. Đầu tiên ta viết các số từ 1 tới 2n trên một bảng đen. Sau đó ta chọn ra hai số bất kì a, b và xoá chúng, rồi thay thế chúng bởi . Chứng minh rằng số còn lại cuối cùng là một số lẻ 
Bài 7. Người ta viết trên bảng dãy các số tự nhiên liên tiếp từ 1 đến 100. Thực hiện trò chơi như sau: Tiến hành xóa hai số a, b bất kì trong dãy số trên và viết lại một số là . Thực hiện trò chơi như trên cho đến khi trên bảng còn lại một số. Hỏi số còn lại trên bảng có thể là 9876543212016 không.
Bài 8. Có 2010 viên sỏi. Hai người chơi thay phiên nhau bốc sỏi, mỗi lượt đi người chơi được quền bốc một số lượng viên sỏi là luỹ thừa với số mũ tự nhiên bất kì của 2(1, 2, 4, .....). Ai bốc được viên sỏi cuối cùng là thắng cuộc. Giả sử cả hai người chơi đều là người thông minh. Hỏi ai là người thắng cuộc?
Bài 9. Trong một hộp có 2010 viên sỏi. Có hai người tham gia trò chơi, mỗi người lần lượt phải bốc ít nhất là 11 viên sỏi và nhiều nhất là 20 viên sỏi. Người nào bốc viên sỏi cuối cùng sẽ thua cuộc. Hãy tìm thuật chơi để đảm bảo người bốc đầu tiên luôn là người thắng cuộc.
Bài 10. Trên bảng có ghi 2013 số . Mỗi lần xóa đi hai số bất kì trên bảng thì ta thay bằng số và giữ nguyên các số còn lại. Sau 2012 lần thực hiện thì trên bảng còn lại một số. Tìm số còn lại đó.
Bài 11. Cho một hình tròn được cia thành 10 ô hình quạt. Trêm mỗi ô hình quạt ta đặt một hòn bi. Thực hiện trò chơi như sau: Mỗi lần lấy ở hai ô bất kì mỗi ô một hòn bi và chuyển sang ô liền kề theo chiều ngược nhau. Hỏi sau một số lần thực hiện trò chơi có thể chuyển tất cỏ các viên bi về cùng một ô được không.
Bài 12. Cho một bảng ô vuông chứa số như hình 4a. Ta thực hiện một thuật toán T như sau: Chọn ra 2 số bất kì nằm ở hai ô vuông cạnh nhau và cộng 2 số đó với một số nguyên nào đó. Hỏi rằng sau một số lần thực hiện thuật toán T thì bảng hình vuông chứa các số như hình 4a có thể thành bảng hình vuông như hình 4b hay không ?
1
2
3
7
8
9
4
5
6
6
2
4
7
8
9
3
5
1
Hình a
Hình b
Bài 13. Cho một bàn cờ quốc tế 8.8 . Hỏi rằng quân mã có thể đi nước đầu tiên từ ô dưới cùng bên trái và kết thúc ở ô trên cùng bên phải hay không. Với điều kiện nó phải đi qua tất cả các ô trên bàn cờ và mỗi ô chỉ đi qua đúng một lần 
Bài 14. Mỗi số trong các số nhận một trong hai giá trị là hoặc 1.
Biết rằng . Chứng minh rằng n chia hết cho 4 
Bài 15. Trên mặt phẳng cho 2011 điểm sao cho không có 3 điểm nào thẳng hàng. Xét tất cả các đoạn thẳng nối các cặp điểm trong 2011 điểm này. Vẽ đường thẳng d không đi qua điểm nào trong số 2011 điểm nói trên. Chứng minh rằng nếu đường thẳng d cắt một số đoạn thẳng xét ở trên thì số đoạn thẳng bị đường thẳng d cắt là một số chẵn.
Bài 16. Cho trước số nguyên dương n lẻ. Tại mỗi ô vuông của bàn cờ kích thước người ta viết một số hoặc Gọi là tích của tất cả những số ghi trên hàng thứ k (tính từ trên xuống) và là tích của tất cả những số ghi trên cột thứ k (tính từ trái sang). 
Chứng minh rằng với mọi cách điền số như trên, đều có: 
.
Bài 17. Ta định nghĩa viên gạch hình móc câu là hình gồm 6 ô vuông đơn vị như hình vẽ dưới đây hoặc hình nhận được do lật hình đó(sanh trái, sang phải,...) hoặc hình nhận được do xoay hình đó đi một góc. Xác định các hình chữ nhật kích thức m.n với m, n là các số nguyên dương sao cho có thể lát được bằng các viên gạnh hình móc câu
Bài 18. Cho các bảng ô vuông 6x6 dưới đây:
Bảng 1
Bảng 2
Bảng 3
Thực hiện thao tác biến đổi như sau: Mỗi bước biến đổi cho phép đảo ngược dấu tất cả các ô trên cùng một hàng hoặc một cột hoặc một đường chéo hoặc dọc theo một đường bất kì song song với một trong hai đường chéo. Hỏi sau một số bước biến đổi có thể đưa một trong các bảng trên về bảng không có dấu trừ được không.
Bài 19. Trên bảng đen viết ba số . Ta bắt đầu thực hiện trò chơi như sau: Mỗi lần chơi ta xoá hai số nào đó trong ba số trên bảng, giả sử là a và b rồi viết vào 2 vị trí vừa xoá hai số mới và đồng thời giữ nguyên số còn lại. Như vậy sau mỗi lần chơi trên bảng luôn có ba số. Chứng minh rằng dù ta có chơi bao nhiêu lần đi chăng nữa thì trên bảng không đồng thời có ba số .