用边长相同的正三角形、正方形、正六边形、正八边形、正十边形进行密铺,每个交叉点只允许五块进行密铺,它有 种铺法.

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完整解法

1. 计算各正多边形的内角大小

根据正多边形内角和公式,可以求得各正多边形的每个内角的度数:

  • 正三角形的每个内角为:(3−2)×180∘3=60∘\frac{(3-2)\times 180^\circ}{3} = 60^\circ
  • 正方形的每个内角为:(4−2)×180∘4=90∘\frac{(4-2)\times 180^\circ}{4} = 90^\circ
  • 正六边形的每个内角为:(6−2)×180∘6=120∘\frac{(6-2)\times 180^\circ}{6} = 120^\circ
  • 正八边形的每个内角为:(8−2)×180∘8=135∘\frac{(8-2)\times 180^\circ}{8} = 135^\circ
  • 正十边形的每个内角为:(10−2)×180∘10=144∘\frac{(10-2)\times 180^\circ}{10} = 144^\circ

2. 建立密铺角度之和为 $360^\circ$ 的数学模型

设在每个交叉点处,正三角形、正方形、正六边形、正八边形、正十边形分别有 n1,n2,n3,n4,n5n_1, n_2, n_3, n_4, n_5 个(其中 nin_i 为非负整数)。
由题意,每个交叉点恰好由五块多边形密铺,可得:
n1+n2+n3+n4+n5=5n_1 + n_2 + n_3 + n_4 + n_5 = 5
同时,拼接处各角之和必须为 360∘360^\circ:
60n1+90n2+120n3+135n4+144n5=36060n_1 + 90n_2 + 120n_3 + 135n_4 + 144n_5 = 360

3. 对不定方程进行分类讨论求解

将角度方程两边同时除以 3 简化得:
20n1+30n2+40n3+45n4+48n5=12020n_1 + 30n_2 + 40n_3 + 45n_4 + 48n_5 = 120
结合 n1+n2+n3+n4+n5=5n_1 + n_2 + n_3 + n_4 + n_5 = 5 进行分析:
若 n1≤2n_1 \le 2,则其余多边形个数和 n2+n3+n4+n5≥3n_2 + n_3 + n_4 + n_5 \ge 3。
由于其余多边形系数均不小于 30,其对应的和至少为 3×30=903 \times 30 = 90。
而此时 20n1≤4020n_1 \le 40,总和将大于 40+90=130>12040 + 90 = 130 > 120。因此 n1n_1 必须大于等于 3。

下面分情况讨论:

  1. 当 n1=5n_1 = 5 时,代入得 5×20=100≠1205 \times 20 = 100 \ne 120,无解;
  2. 当 n1=4n_1 = 4 时,剩下 1 个多边形的系数应为 120−4×20=40120 - 4 \times 20 = 40,对应正六边形(n3=1n_3 = 1),即:4个正三角形和1个正六边形。此时角度和为 4×60∘+120∘=360∘4 \times 60^\circ + 120^\circ = 360^\circ,符合密铺要求;
  3. 当 n1=3n_1 = 3 时,剩下 2 个多边形的系数之和应为 120−3×20=60120 - 3 \times 20 = 60。因为除三角形外最小系数为 30,所以只能是 30+30=6030 + 30 = 60,对应2个正方形(n2=2n_2 = 2),即:3个正三角形和2个正方形。此时角度和为 3×60∘+2×90∘=360∘3 \times 60^\circ + 2 \times 90^\circ = 360^\circ,符合密铺要求。

4. 得出最终结论

综上分析,符合每个交叉点只允许五块进行密铺的组合只有2种,即“4个正三角形和1个正六边形”和“3个正三角形和2个正方形”。因此共有 2 种铺法。

答案

2

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