揭开谜底:几乘几乘几等于90的数学秘密


这问题,乍一听,是不是有点像小时候课堂上,或者家里的长辈突然丢过来考你的那种?“来,想想看,三个数乘起来等于90,有几种办法?”简单得像是随口一问,但真要去掰扯清楚,把所有可能都掏出来晾晾,嘿,还真有点意思,特别是正整数解负整数解,甚至再往外扩散一点点……它不像100那么规整(10乘10乘1?20乘5乘1?),也不像64那样有完美的立方根(4乘4乘4)。90,这数,有点“碎”,有点“散”,刚好给三个数乘积留下了各种组合的缝隙。

要彻底搞懂“几乘几乘几等于90”到底有多少解,或者说,有哪些解,我们得从数学最基础,也最有力的一招开始——因数分解。就像你拆开一个复杂玩具,看看它里面都有哪些零件一样,我们要看看90这个数,它是由哪些最最基础的数,“质因数”给“拼”出来的。

90的质因数分解:
90 ÷ 2 = 45
45 ÷ 3 = 15
15 ÷ 3 = 5
5 ÷ 5 = 1
所以,90的质因数就是 2, 3, 3, 5。也就是说,90这个数,骨子里就是由一个2,两个3,一个5,这四个小不点儿相乘得来的: 2 × 3 × 3 × 5 = 90。

现在,我们的任务是,把这几个“零件”(2, 3, 3, 5),分到三个“篮子”里,每个篮子里的数乘起来,就代表一个乘数。三个篮子的乘积,必须是90。分的时候,允许某个篮子是空的吗?如果允许,空的篮子就代表乘数是1。当然,如果题目没特别限制,通常我们找的整数解里,是允许1出现的。所以,我们得考虑把1也请进来。

先说最直观、最常见的:正整数解。我们要找三个正整数 a, b, c,使得 a × b × c = 90

怎么系统地找呢?可以想象成,我们有 {2, 3, 3, 5} 这堆质因数,还有无限个1可以随便用。我们要把它们分给 a, b, c 三个变量。为了不重复,我们可以规定,找到的三个数从小到大排列:1 ≤ a ≤ b ≤ c。

从最小的数开始尝试:
1. 如果 a = 1:那么 b × c 必须等于 90 ÷ 1 = 90。我们只需要找到所有乘以等于90的正整数对 (b, c),并且 b ≤ c 就可以了。
找90的因数:1, 2, 3, 5, 6, 9, 10, 15, 18, 30, 45, 90。
满足 b ≤ c 且 b × c = 90 的对有:
(1, 90) → 得到三个数的组合 {1, 1, 90}。你看,这里面就有两个1,没毛病,1 × 1 × 90 = 90
(2, 45) → 得到 {1, 2, 45}。 1 × 2 × 45 = 90
(3, 30) → 得到 {1, 3, 30}。 1 × 3 × 30 = 90
(5, 18) → 得到 {1, 5, 18}。 1 × 5 × 18 = 90
(6, 15) → 得到 {1, 6, 15}。 1 × 6 × 15 = 90
(9, 10) → 得到 {1, 9, 10}。 1 × 9 × 10 = 90
这里我们得到了 6 组包含1的正整数组合(集合)。

  1. 如果 a > 1:那么 a 必须是 90 的因数,并且 a 不能太大。因为 a ≤ b ≤ c 且 a × b × c = 90,所以 a³ ≤ abc = 90。计算一下 90 的立方根,大约是 4.48。这意味着 a 只能是小于或等于 4 的因数。90 的因数里小于等于 4 的有 1, 2, 3。a=1 的情况已经找完了。所以我们只需要考虑 a=2 和 a=3 的情况。

    • 如果 a = 2:那么 b × c 必须等于 90 ÷ 2 = 45。我们需要找 b ≤ c 且 b × c = 45 的对,同时 b 必须 ≥ a = 2。
      45 的因数:1, 3, 5, 9, 15, 45。
      满足 b ≤ c, b × c = 45 且 b ≥ 2 的对有:
      (3, 15) → 得到 {2, 3, 15}。 2 × 3 × 15 = 90
      (5, 9) → 得到 {2, 5, 9}。 2 × 5 × 9 = 90
      注意,45的因数对还有(1, 45),但 b 必须 ≥ 2,所以 (1, 45) 不符合这里 b 的条件。{2, 1, 45} 实际上就是前面 {1, 2, 45} 这组。

    • 如果 a = 3:那么 b × c 必须等于 90 ÷ 3 = 30。我们需要找 b ≤ c 且 b × c = 30 的对,同时 b 必须 ≥ a = 3。
      30 的因数:1, 2, 3, 5, 6, 10, 15, 30。
      满足 b ≤ c, b × c = 30 且 b ≥ 3 的对有:
      (3, 10) → 得到 {3, 3, 10}。 3 × 3 × 10 = 90
      (5, 6) → 得到 {3, 5, 6}。 3 × 5 × 6 = 90
      注意,30的因数对还有(1, 30), (2, 15)。(1, 30) 的 b=1 不符合 b≥3。(2, 15) 的 b=2 不符合 b≥3。

    • 如果 a ≥ 4:前面说了,a 不能超过立方根 4.48。而且 a 必须是 90 的因数。大于3的因数有 5, 6, 9…。这些都大于 4.48。所以 a 不可能等于或大于 5。那么 a=4 呢?4 不是90的因数,abc=90 不可能有整数解如果a=4。所以我们已经找全了所有以 a ≤ b ≤ c 形式排列的正整数组合。

总结一下,不考虑顺序,仅仅看这三个数是哪些,满足乘积是90正整数组合(集合)共有 10 组:
{1, 1, 90}
{1, 2, 45}
{1, 3, 30}
{1, 5, 18}
{1, 6, 15}
{1, 9, 10}
{2, 3, 15}
{2, 5, 9}
{3, 3, 10}
{3, 5, 6}

是不是看着挺丰富?这还没完呢。如果题目问的是“几乘几乘几等于90”的所有整数解呢?这就得把负数考虑进去了。

整数解里,三个数乘积要是90(正数),那这三个数负数个数只能是 0 个或者 2 个。
Case 1: 0 个负数,即全部是正整数。这已经找完了,上面列出的 10 组。
Case 2: 2 个负数, 1 个正数

如果我们已经知道一组正整数解 {a, b, c},比如 {1, 2, 45},那对应的有 2 个负数整数解组合就可以是 {-1, -2, 45},{-1, 2, -45},{1, -2, -45}。这三组,无论哪一组,三个数乘起来都是 (-)(-) (+) = (+),结果是 90

所以,对于上面找到的 10 组正整数组合:
1. 如果组合里的三个数都不同,比如 {1, 2, 45},它能派生出 3 组含负数的组合:{-1, -2, 45}, {-1, 2, -45}, {1, -2, -45}。
这样的组合有 8 组(除了 {1, 1, 90} 和 {3, 3, 10})。
这 8 组每组贡献 3 个含负数的组合,总共 8 × 3 = 24 组负整数组合。

  1. 如果组合里有两个数相同,比如 {1, 1, 90},它能派生出的含负数组合:{-1, -1, 90}, {-1, 1, -90}, {1, -1, -90}。这三组也都是合法的。
    这样的组合有 2 组 ({1, 1, 90} 和 {3, 3, 10})。
    这 2 组每组贡献 3 个含负数的组合,总共 2 × 3 = 6 组负整数组合。

总共不考虑顺序的整数解组合(包含负数的集合)有:10 组正整数组合 + 24 组负整数组合 (来自三数不同的正数组合) + 6 组负整数组合 (来自两数相同的正数组合) = 40 组。

不过,有时候问“几乘几乘几等于90”是问具体的排列,就是说 (1, 2, 45) 和 (2, 1, 45) 算不同的解。这在数学上叫做“有序解”。

如果考虑有序的正整数解 (a, b, c):
对于每组 {a, b, c}:
* 如果 a, b, c 都不同(8组,比如 {1, 2, 45}),它们可以有 3! = 3 × 2 × 1 = 6 种不同的排列顺序。(1, 2, 45), (1, 45, 2), (2, 1, 45), (2, 45, 1), (45, 1, 2), (45, 2, 1)。
这 8 组贡献 8 × 6 = 48 个有序正整数解
* 如果a, b, c中有两个数相同(2组,比如 {1, 1, 90}),比如 {x, x, y},它们可以有 3! / 2! = 3 种不同的排列顺序。(x, x, y), (x, y, x), (y, x, x)。
这 2 组贡献 2 × 3 = 6 个有序正整数解

总共有序的正整数解有 48 + 6 = 54 组。

如果考虑有序的整数解 (a, b, c),包括负数
我们知道,每一个有序正整数解 (a, b, c) 都能对应生成三个有序负整数解:(-a, -b, c), (-a, b, -c), (a, -b, -c)。
比如从有序正整数解 (1, 2, 45),我们得到有序负整数解:(-1, -2, 45), (-1, 2, -45), (1, -2, -45)。
从有序正整数解 (1, 1, 90),我们得到有序负整数解:(-1, -1, 90), (-1, 1, -90), (1, -1, -90)。
对于所有的 54 个有序正整数解,每个都能生成 3 个有序负整数解
所以,有序的负整数解总数是 54 × 3 = 162 组。

有序整数解总数就是 有序正整数解 + 有序负整数解 = 54 + 162 = 216 组。

哇塞,一个小小的“几乘几乘几等于90”问题,如果深究下去,光是整数解,就能找出这么多种!从最初的质因数,到组合,再到排列,从正整数负整数,一层层剥开,是不是觉得数学有时候挺像玩侦探游戏或者搭积木的?从最简单的零件,搭出所有可能的形状。

当然,如果再放飞一下思维,允许非整数解呢?那答案就无穷无尽了。你可以随便选一个非零的数作为第一个乘数,比如 0.1。那剩下的两个数乘积就得是 90 / 0.1 = 900。再随便选一个非零数作为第二个乘数,比如 $\sqrt{2}$。那第三个乘数就得是 $900 / \sqrt{2}$。你看,只要第一个和第二个数不是零,第三个数总能算出来,而且能构造出无数多的非整数组合。比如: 0.1 × 100 × 9 = 90; $1.5 \times 4 \times 15$ = 90; $\pi \times \frac{90}{\pi} \times 1 = 90$。这种情况下,答案是“无穷多组”。但通常咱们讨论几乘几乘几等于90,主要还是集中在整数解上。

这个题目,看似简单,却能带你把因数分解质因数组合排列正负数的概念都串一遍。它告诉你,一个简单的问题背后,可能有比你想象的要多得多的答案,取决于你设定的条件(是正整数还是整数?是看组合还是看排列?)。下次再碰到这种问题,别只满足于找到一组答案,试着去挖掘,去穷尽,那种把所有可能性都找出来的感觉,特棒!这才是数学思维的魅力所在,不是吗?


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