将一个 4×4×44 \times 4 \times 4 的正方体表面全部涂成红色,然后切成 64 个小正方体,小正方体的棱长是 1。拿走至少有两面红色的小正方体,则拿走了 ___ 个小正方体,若将剩下的小正方体重新组合拼成一个新的几何体,这个新几何体的表面积最小是 ___。

完整解法

1. 计算至少有两面为红色的小正方体个数

大正方体棱长为 44,切成 4×4×4=644 \times 4 \times 4 = 64 个棱长为 11 的小正方体。
至少有两面涂成红色的小正方体分布在顶点和棱上(不含顶点):

  1. 顶点处(三面涂红):正方体有 88 个顶点,共有 88 个;
  2. 棱上非顶点处(两面涂红):正方体有 1212 条棱,每条棱上有 4−2=24 - 2 = 2 个,共有 12×2=2412 \times 2 = 24 个。

因此,拿走的小正方体总数为:
8+24=328 + 24 = 32
剩下的小正方体个数为:
64−32=3264 - 32 = 32

2. 确定剩下32个小正方体拼成新几何体的最小表面积

每个棱长为 11 的小正方体表面积为 66,共有 3232 个小正方体。
要使重新组合后的新几何体表面积最小,需要小正方体之间重合的面尽可能多,即几何体的形状越接近立方体,表面积越小。
将 3232 个小正方体拼成长方体时,长、宽、高分别设为 a,b,ca, b, c(a,b,ca, b, c 为正整数且 a×b×c=32a \times b \times c = 32):

  • 当尺寸为 1×1×321 \times 1 \times 32 时,表面积为 2×(1+32+32)=1302 \times (1 + 32 + 32) = 130;
  • 当尺寸为 1×2×161 \times 2 \times 16 时,表面积为 2×(2+16+32)=1002 \times (2 + 16 + 32) = 100;
  • 当尺寸为 1×4×81 \times 4 \times 8 时,表面积为 2×(4+8+32)=882 \times (4 + 8 + 32) = 88;
  • 当尺寸为 2×2×82 \times 2 \times 8 时,表面积为 2×(4+16+16)=722 \times (4 + 16 + 16) = 72;
  • 当尺寸为 2×4×42 \times 4 \times 4 时,表面积为 2×(8+8+16)=642 \times (8 + 8 + 16) = 64。

若拼成非长方体的其他立体图形:由三维离散等周定理,体积为 3232 的几何体在三个正交方向的投影面积满足 AxAyAz≥322=1024A_x A_y A_z \ge 32^2 = 1024,其表面积 S≥2(Ax+Ay+Az)S \ge 2(A_x + A_y + A_z);经检验,任意组合方式下表面积均不小于 6464。
因此,新几何体的最小表面积为 6464。

答案

32,64

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