试题节选自北大附中2016届行知理科高二第3学段数学荣誉作业2.
1、一个圆环形花坛,分为\(5\)个区域(如图所示),每个区域种植一种花卉,有\(4\)种不同颜色供选,要求相邻区域种植的花卉颜色不同,求不同的花卉种植方法数.
2、将第1题中的区域数由\(5\)个替换为\(n\)个,求不同的花卉种植方法数.
3、将第2题中的花卉颜色数由\(4\)个替换为\(m\)个,求不同的花卉种植方法数.
直接处理问题3,对区域的总数$n$使用递推方法,设不同的花卉种植方法数为$a_n$,则有$a_1=m$,$a_2=m(m-1)$.
递推方法一 选定起点,将问题看成排成一个队列,需要满足首尾花卉不同.
那么不同的方案数有$m(m-1)^{n-1}$种.然后再考虑将首尾“拼接”起来,此时如果首尾的颜色不同,那么对应$a_n$种方法数;如果首尾的颜色相同,那么对应$a_{n-1}$种方法数.这样就得到了递推公式$$a_n+a_{n-1}=m(m-1)^{n-1},n\geqslant 3.$$
递推方法二 选定起点,考虑起点开始的三个区域,则对应$n+1$个区域的花卉种植方法可以用两种方式得到:
一种是在$n$个区域的花卉种植方法的基础上,在第一、二个区域之间插入一种不同颜色的花卉,此时得到的$n+1$个区域的花卉种植方法开头三个区域花卉各不相同;
另一种是在$n-1$个区域的花卉种植方法的基础上,将第一个区域中部插入一种不同颜色的花卉,此时得到的$n+1$个区域的花卉种植方法开头三个区域花卉为$ABA$的形式,即一、三区域花卉相同.
因此可以得到递推公式$$a_{n+1}=(m-2)a_n+(m-1)a_{n-1},n\geqslant 3.$$从两个递推公式均可推出通项公式为$$a_n=\begin{cases} m,n=1,\\(m-1)\cdot (-1)^n+(m-1)^n,n=2,3,\cdots.\end{cases} $$