有 12 个完全相同的信封,其中 11 个装的均为 1 枚等重的硬币,剩下的 1 个装的是一枚较重的硬币。现需要找到那枚较重的硬币,若有一台没有砝码的天平,每次称量需要支付 1 元。此外,也可花费 2 元购买一次提示:排除 4 个错误信封,但最多只可购买 1 次提示。为保证找到那枚较重的硬币,最低花费是 ___ 元。

完整解法

1. 分析是否可能在花费小于 3 元的情况下保证找出目标信封

要保证找到较重的硬币,需在最坏情况下将候选信封数缩小为 11。
考虑总花费是否可能为 22 元:

  1. 若不购买提示,仅使用天平称量,花费 22 元即最多称量 22 次。每次没有砝码的天平称量最多有 33 种结果(左重、右重、平衡),因此 22 次称量最多能从 32=93^2 = 9 个信封中确定较重硬币。因为 12>912 > 9,所以仅称量 22 次无法保证找出。
  2. 若购买 11 次提示,提示本身需花费 22 元,此时预算已用尽,无法再进行称量。购买提示后只能排除 44 个错误信封,还剩 12−4=812 - 4 = 8 个候选信封,无法确定哪一个是较重的硬币。

综上,花费低于 33 元时无法保证找出较重硬币,最低保证花费至少为 33 元。

2. 构造花费 3 元且能保证找出目标信封的可行方案

验证花费 33 元(全用天平称量 33 次,不购买提示)是否可行:

  • 第 1 次称量:将 1212 个信封分为三组,每组 44 个。天平两端各放 44 个,剩余 44 个放在台下。
    • 若天平不平衡,则较重的硬币在较重一侧的 44 个信封中;
    • 若天平平衡,则较重的硬币在未称量的 44 个信封中。
      无论结果如何,候选信封数均缩减为 44 个。
  • 第 2 次称量:在剩余的 44 个信封中,取 22 个分别置于天平两端,台下留 22 个。
    • 若不平衡,则较重硬币在较重的一端(候选剩 11 个,实际已提前确定);
    • 若平衡,则较重硬币在剩下的 22 个中。
  • 第 3 次称量:将最后剩余的 22 个信封分别置于天平两端,较重一端即为所求。

该方案在任何情况下最多只需称量 33 次,花费为 3×1=33 \times 1 = 3 元。
因此,为保证找到该硬币,最低花费是 33 元。

答案

3

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