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与表面小正方形总数

拼成的大正方体由 216216 个小正方体组成,因为 216=63216 = 6^3,所以大正方体的每条棱包含 66 个小正方体。
大正方体的表面共有 66 个面,每个面包含 6×6=366 \times 6 = 36 个单位小正方形表面,总表面积共有:
6×36=216 个单位小正方形面6 \times 36 = 216\text{ 个单位小正方形面}

2. 按外露面数对小正方体的位置进行分类

组成大正方体的小正方体根据所在位置不同,外露的面数分为四类:

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

3. 采用贪心原则分配白色小正方体,求白色表面积的最大值

要使大正方体表面白色部分与黑色部分面积比的比值最大,需使表面白色小面数尽可能多,黑色小面数尽可能少。
因此应优先将 9090 个白色小正方体放置在外露面数较多的位置:

  1. 优先放满 88 个顶点:用去 88 个白色小正方体,提供表面积 8×3=248 \times 3 = 24;
  2. 接着放满 4848 个棱上位置:用去 4848 个白色小正方体,提供表面积 48×2=9648 \times 2 = 96;
  3. 此时已使用 8+48=568 + 48 = 56 个白色小正方体,还剩 90−56=3490 - 56 = 34 个白色小正方体,将其放置在面中心位置,提供表面积 34×1=3434 \times 1 = 34。

由此得到大正方体表面白色部分的最大总面数为:
24+96+34=15424 + 96 + 34 = 154

4. 计算黑色部分表面积并求出最大面积比

大正方体表面黑色部分的面数为:
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最大值为:
15462=7731\frac{154}{62} = \frac{77}{31}
故选 C.

答案

C

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