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染色问题

专题简介
染色问题:把图形/格子/棋盘按某种规则染成两种或多种颜色,分析是否存在某种性质的子结构。
奇偶染色:按(行号+列号)的奇偶性染黑白两色,相邻格子颜色不同。
用途:证明不可能性问题(如马能否遍历所有格子且不重复)。

常用技巧
【奇偶染色】国际象棋棋盘染色,相邻格不同色。
【找不变量】染色后,某种颜色格子的数量之差是不变的。
【反证法】假设存在某种走法/分法,推出矛盾。
【配对】把同色格子配对,分析是否能完全配对。
【多色染色】不止两种颜色,按模 3、模 4 等染色。

常见易错点
× 染色方案选错:应该选择能让『不变性质』显现的染色方式。
× 多色染色时,颜色数量要选对(通常取模运算的模数)。
× 忘记说明『为什么这种染色能解决问题』。

练习摘录

奇偶染色怎么操作?

行号加列号,奇黑偶白(或反过来)。 相邻格子(上下左右)行号+列号的奇偶性一定不同 → 颜色不同。

国际象棋棋盘有多少黑格、多少白格?

提示:棋盘 $8 \times 8=64$ 格。奇偶染色后,黑格和白格数量相等吗? 相等!$8 \times 8$ 棋盘,黑格 32 个,白格 32 个。 因为总格子数是偶数,且染色均匀。

马走日字,从黑格出发,走一步到什么颜色的格子?

提示:马走一步,(行+列) 的奇偶性改变吗?行变化$\pm2$、列变化$\pm1$(或反过来),总和变化是奇数。 马走一步,(行+列) 的奇偶性改变 → 到相反颜色的格子。 所以从黑格出发,走奇数步到白格,走偶数步回到黑格。

能不能用 $2 \times 1$ 的骨牌盖住整个 $8 \times 8$ 棋盘?

提示:$2 \times 1$ 骨牌每次盖住 1 黑 1 白。棋盘有 32 黑 32 白,刚好匹配吗? 能!每次盖住 1 黑 1 白,32 块骨牌盖住 32 黑 32 白,刚好匹配。 但如果棋盘缺了两个同色的角(都黑),则黑30白32,无法完全覆盖(因为每块骨牌必须盖住 1 黑 1 白,黑格不够)。

Minecraft 里一个 $5 \times 5$ 的地图,从左上角到右下角(只能向右或向下走),路线经过的黑格和白格数量有什么规律?

提示:奇偶染色:左上角 (0,0) 是黑色(偶+偶=偶)。每走一步,颜色翻转。 从左上到右下,共走 8 步(4 右 + 4 下),到右下角时颜色翻转了 8 次(偶数次)→ 右下角和左上角同色。 路线上黑格和白格数量相等(各 5 个,因为共 9 个格点,起点终点同色)。

不是所有染色问题都用奇偶染色,对吗?

提示:什么时候用奇偶染色,什么时候用其他染色(如模3染色)? 奇偶染色适合相邻格子互相排斥的问题(每步走到相邻格)。 如果问题是『每3格一循环』,则用模3染色(3种颜色)。 关键:染色要能让『不变性质』显现出来!

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