216个同样大小的小正方体,其中90个为白色,剩余为黑色.现将它们拼成一个大正方体,大正方体表面白色部分与黑色部分面积比的比值最大是多少?( ).
A. 15462\frac{154}{62}
B. 6233\frac{62}{33}
C. 7731\frac{77}{31}
D. 17731\frac{177}{31}

完整解法

1. 确定大正方体的边长,并按露出面数将小正方体分类统计

因为 216=63216 = 6^3,所以拼成的大正方体每条棱长包含 66 个小正方体,大正方体表面共有 6×62=2166 \times 6^2 = 216 个小正方形面.
按照小正方体在大正方体中所处的位置及露出的面数分类:

  1. 顶点处:共 88 个,每个露出 33 个面;
  2. 棱上(不含顶点):共 12×(6−2)=4812 \times (6 - 2) = 48 个,每个露出 22 个面;
  3. 面中心(不含棱):共 6×(6−2)2=966 \times (6 - 2)^2 = 96 个,每个露出 11 个面;
  4. 内部:共 (6−2)3=64(6 - 2)^3 = 64 个,每个露出 00 个面.

2. 运用贪心策略求大正方体表面白色部分面积的最大值

要使表面白色部分与黑色部分面积比的比值最大,应使白色部分露出的表面积尽可能大.因此优先将 9090 个白色小正方体安排在露出面数最多的位置:

  1. 优先排在 88 个顶点处,提供白色面数:8×3=248 \times 3 = 24
    此时还剩 90−8=8290 - 8 = 82 个白色小正方体;
  2. 接着排在 4848 个棱上位置,提供白色面数:48×2=9648 \times 2 = 96
    此时还剩 82−48=3482 - 48 = 34 个白色小正方体;
  3. 剩余的 3434 个排在面中心位置(面中心共有 9696 个位置,34<9634 < 96),提供白色面数:34×1=3434 \times 1 = 34

故大正方体表面白色部分面积的最大值为:24+96+34=15424 + 96 + 34 = 154

3. 计算黑色表面面积,求出最简比值并确定选项

大正方体表面黑色部分的面积为:216−154=62216 - 154 = 62
因此,大正方体表面白色部分与黑色部分面积比的比值最大为:15462=7731\frac{154}{62} = \frac{77}{31}
对应选项 C.

答案

C

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