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几何 · 立体图形 · 切割最值发题

19×13×12 的木块:最多加工几个小圆柱

原题
一个长方体木块的长是19厘米,宽是13厘米,高是12厘米,最多可以加工成多少个底面直径是4厘米、高是5厘米的小圆柱体?

审题说明 每个小圆柱必须从木块上整块切出,不能拼接。本题按“每个圆柱占一块 4×4×5 的长方体”来算:先切成小长方体,再车成圆柱,这是这类题的标准理解。问题变成:19×13×12 的长方体里最多能放几个 4×4×5 的小长方体。圆柱的轴可以沿长、宽或高,不同部分可以朝不同方向。

交互演示

两种方法:分步摆放对比

第 0 / 3 步空木块 19×13×12。只朝一个方向:轴沿长 27,沿宽 24,沿高 24
长 19宽 13
轴沿长轴沿宽俯视投影:不同高度可能互相遮挡
0已放圆柱
0层(共 3 层)
2964剩余体积 cm³
分步讲解

按长方体算:先算单一方向,再混放,最后证明上限

  1. 只朝一个方向:最多 27

    “5”放在哪条棱上,那条棱就按 5 去分,另两条按 4 去分:

    轴沿长:19÷5=3…4,13÷4=3…1,12÷4=3,共 3×3×3=27;
    轴沿宽:19÷4=4…3,13÷5=2…3,12÷4=3,共 4×2×3=24;
    轴沿高:19÷4=4…3,13÷4=3…1,12÷5=2…2,共 4×3×2=24。

  2. 高按 4+4+4 分三层

    12=4+4+4 正好不剩,所以让圆柱都“躺着”,木块切成 3 层,每层厚 4 厘米。每层就是在 19×13 的长方形里摆 4×5 的长方形,面积 247÷20=12…7,每层最多 12 个。

  3. 每层真能摆 12 个:方法一(风车排法)

    直着切(一刀切到底)每层最多 11 个;要 12 个得像风车那样交错。以左下角为原点,长为横向、宽为纵向:

    横放 8 个(5×4)左下角在 (4,0)、(9,0)、(14,0)、(14,4)、(0,5)、(0,9)、(5,9)、(10,9);
    竖放 4 个(4×5)左下角在 (0,0)、(5,4)、(10,4)、(15,8)。

    只空出 7 个 1×1 小格(中间一条 1×5,和两个角上的 1×1)。三层都这样摆:12×3=36。(已用程序逐格核对:不重叠、不出界。)

  4. 按长方体算,为什么不能是 37:抽屉原理

    按 4×4×5 小长方体算,每块在长、宽、高三个方向上都至少占 4 厘米,所以中心只能位于长 2~17、宽 2~11、高 2~10 的范围内。把这个中心范围沿长、宽、高分别均分成 4、3、3 段,每段都小于 4 厘米,共有 4×3×3=36 个格子。

    如果放入 37 块,根据抽屉原理,必有两块的中心落在同一个格子里。它们的中心在三个方向上相距都小于 4 厘米,两块就必定重叠,不可能。所以按长方体算最多 36 个。

结论

目前找到两种切出 36 个的方法

补充摆法

方法二

方法二:宽 0~5 的区域沿宽错位相切放 14 个;长 0~15、宽 5~13 的区域沿长放 18 个;余下长 15~19、宽 5~13 的区域沿高放 4 个,共 36 个。

易错点

易错点