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计数 · 立体几何 · 表面标数法发题

14块正方体阶梯:表面最短路线

原题

由 14 个相同小正方体木块粘成的几何体如图所示。一只小虫沿着几何体表面(包括下底面)的格线爬行,它从 A 点爬到 B 点的最短路线共有( )条。

14 块小正方体组成的阶梯,每个外露面均画出单位网格从正前方看向逐层升高的阶梯:第一层可见 5 个顶面格和左右各 3 个立面格,第二层可见 3 个顶面格和左右各 2 个立面格,第三层可见 1 个顶面格和左右各 1 个立面格,共 21 格。A 为最前底角 (0,0,0),B 为最高顶角 (3,3,3)。A(0,0,0)B(3,3,3)
底层 9 块 + 中层 4 块 + 顶层 1 块;每条小格边长为 1。
交互演示

把路线数标在立体上

立体标数 · 全景
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分层显隐

三条表面棱汇入 B,共 406 条。

95左后上棱
+
95前右上棱
+
216后右竖棱
=
406终点 B

从 A = 1 开始,沿外表面格线累加;转到下方,可看底面标数。分层显隐仅用于观察,标数仍按完整积木的表面路线计算。

解答 · 立体标数

三步求出最短路线数

  1. 确定步数

    向右 3 步、向后 3 步、向上 3 步,最短路线恰好 $3+3+3=9$ 步。

  2. 立体标数规则

    从 A 标 1 开始,每个表面格点的路线数,等于沿向右、向后、向上方向到达它的所有有效表面前驱点标数之和。内部粘合棱不属于外表面,不能通行。

  3. 终点汇聚求和

    终点 $B(3,3,3)$ 的三条表面棱汇入:

    • 左后上棱 $(2,3,3)$ → B:95 种
    • 前右上棱 $(3,2,3)$ → B:95 种
    • 后右竖棱 $(3,3,2)$ → B:216 种

    合计:95 + 95 + 216 = 406 条。