1.问题提出:有同样大小正方形256个,拼成如图1所示的16×16的一个大的正方形.请问如果用一条直线穿过这个大正方形的话,最多可以穿过多少个小正方形?
我们先考虑以下简单的情况:一条直线穿越一个正方形的情况.(如图2)
从图2中我们可以看出,当一条直线穿过一个小正方形时,这条直线最多与正方形上、下、左、右四条边中的两个边相交,所以当一条直线穿过一个小正方形时,这条直线会与其中某两条边产生两个交点,并且以两个交点为顶点的线段会全部落在小正方形内.
这就启发我们:为了求出直线L最多穿过多少个小正方形,我们可以转而去考虑当直线L穿越由小正方形拼成的大正方形时最多会产生多少个交点.然后由交点数去确定有多少根小线段,进而通过线段的根数确定下正方形的个数.
再让我们来考虑3×3正方形的情况(如图3):为了让直线穿越更多的小正方形,我们不妨假设直线L右上方至左下方穿过一个3×3的正方形,我们从两个方向来分析直线l穿过3×3正方形的情况:从上下来看,这条直线由下至上最多可穿过上下平行的两条线段;从左右来看,这条直线最多可穿过左右平行的四条线段;这样直线L最多可穿过3×3的大正方形中的六条线段,从而直线L上会产生6个交点,这6个交点之间的5条线段,每条会落在一个不同的正方形内,因此直线L最多能经过5个小正方形.
问题解决:
(1)有同样大小的小正方形16个,拼成如图4所示的4×4的一个大的正方形.请问如果用一条直线穿过这个大正方形的话,最多可以穿过7个小正方形?
(2)有同样大小的小正方形100个,拼成10×10的一个大的正方形.请问如果用一条直线穿过这个大正方形的话,最多可以穿过19个小正方形?
(3)有同样大小的小正方形256个,拼成16×16的一个大的正方形.请问如果用一条直线穿过这个大正方形的话,最多可以穿过31个小正方形?
(4)请问如果用一条直线穿n×n大正方形的话,最多可以穿过2n-1个小正方形?
拓展探究:
(5)请问如果用一条直线穿2×3大长方形的话(如图5),最多可以穿过4个小正方形?
(6)请问如果用一条直线穿3×4大长方形的话(如图6),最多可以穿过6个小正方形?
(7)请问如果用一条直线穿m×n大长方形的话,最多可以穿过m+n-1个小正方形?
请将你的推理过程进行简要的叙述.
类比探究:由二维的平面我们可以联想到三维的立体空间,平面中的正方形中四条边可联想到正方体中的正方形的六个面,类比上面问题解决的方法解决如下问题.
(8)如图①有同样大小的小正方体8个,拼成如图①所示的2×2×2的一个大的正方体.请问如果用一条直线穿过这个大正方体的话,最多可以穿过多少个小正方体?
(9)请问如果用一条直线穿过n×n×n大正方体的话,最多可以穿过多少个小正方体?