【例 10】黑板上一共写了 10115 个数字,包括 2021 个 1,2022 个 2,2023 个 3,2024 个 4,2025 个 5. 每次操作都擦去其中 4 个不同的数字并写上一个第 5 种数字(例如擦去 1、2、3、4 各 1 个,写上 1 个 5,或者擦去 2、3、4、5 各一个,写上一个 1 等等). 如果经过有限次操作后,黑板上恰好剩下了两个数字,那么这两个数字的乘积是多少?

完整解法

1. 计算初始数字总数及达到最终状态需要的操作次数

初始时,黑板上的数字总数为:
2021+2022+2023+2024+2025=101152021 + 2022 + 2023 + 2024 + 2025 = 10115

每次操作擦去 4 个数字并写上 1 个数字,因此每次操作后黑板上的数字总数减少:
4−1=34 - 1 = 3

要使黑板上最终恰好剩下 2 个数字,一共需要减少 10115−2=1011310115 - 2 = 10113 个数字。
故总操作次数为:
N=101133=3371N = \frac{10113}{3} = 3371
注意到 3371 是一个奇数。

2. 分析单次操作对各数字个数奇偶性的影响规律

设 1, 2, 3, 4, 5 这五种数字的个数分别为 x1,x2,x3,x4,x5x_1, x_2, x_3, x_4, x_5。
在每一次操作中:

  • 有 4 种数字的个数分别减少 1(即 xi→xi−1x_i \to x_i - 1);
  • 剩余 1 种数字的个数增加 1(即 xj→xj+1x_j \to x_j + 1)。

由于任何整数加 1 或减 1 都会改变其奇偶性,因此每一次操作都会使全部 5 种数字的个数奇偶性同时发生改变(颠倒)。

3. 确定奇数次操作后各数字个数的奇偶性,并求出最终两数的乘积

初始时,各数字个数的奇偶性为:

  • 数字 1 的个数:2021(奇数)
  • 数字 2 的个数:2022(偶数)
  • 数字 3 的个数:2023(奇数)
  • 数字 4 的个数:2024(偶数)
  • 数字 5 的个数:2025(奇数)

因为一共进行了 3371 次(奇数次)操作,所以每种数字个数的奇偶性都刚好改变一次:

  • 数字 1、3、5 的个数变为偶数;
  • 数字 2、4 的个数变为奇数。

由于黑板上最终只剩下 2 个数字(即 5 个个数之和为 2),且非负奇数最小为 1:

  • 数字 2 的个数必须 ⩾1\geqslant 1;
  • 数字 4 的个数必须 ⩾1\geqslant 1。

因此,剩下的 2 个数字必须恰好是 2 和 4,其余数字的个数均为 0。
这两个数字的乘积为:
2×4=82 \times 4 = 8

答案

8

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