2005 AIME I 第 9 题
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9.
二十七个单位立方体各有四个面被涂成橙色,使得两个未涂色的面共用一条边。然后将这 个立方体随机排列成一个 的立方体。已知整个大立方体表面全为橙色的概率为 ,其中 、、 是不同的质数,、、 是正整数,求 。
Twenty-seven unit cubes are each painted orange on a set of four faces so that the two unpainted faces share an edge. The cubes are then randomly arranged to form a cube. Given that the probability that the entire surface of the larger cube is orange is where and are distinct primes and and are positive integers, find
小提示:
每个小立方体的两个未涂色面共用该立方体的一条边;表面全为橙色,当且仅当每条这样的边都被埋在内部
Each small cube’s two unpainted faces share one edge of that cube; the surface is all orange exactly when every such edge is buried
大提示:
随机朝向使这条边在 条棱的位置中均匀分布。角块能隐藏其中 条,棱块能隐藏 条,面心块能隐藏 条。
A random orientation puts that edge uniformly among the edge positions. A corner cube hides of them, an edge cube a face cube
解答:
每个单位立方体都有一条“坏边”:即两个未涂色面共用的那条边。大立方体的表面全为橙色,当且仅当每个单位立方体的坏边不接触任何可见面。一个均匀随机的朝向会使坏边均匀地落在该立方体的 条棱的位置中,所以对每个单位立方体,只需数出两侧面都被隐藏的棱位置数。
一个角块显示 个共顶点的面;安全棱是相对顶点处的 个隐藏面所共用的棱,所以概率为 。一个棱块显示 个相邻面,它们接触 条棱,留下 条安全棱,概率为 。一个面心块显示 个面,接触 条棱,留下 条安全棱,概率为 。中心块总是符合条件。
有 个角块、 个棱块和 个面心块,所以概率为 因此
Each unit cube has one “bad edge”: the edge shared by its two unpainted faces. The larger cube’s surface is entirely orange exactly when every unit cube’s bad edge touches no visible face. A uniformly random orientation places the bad edge uniformly among the cube’s edge positions, so for each unit cube we count the edge positions both of whose faces are hidden.
A corner cube shows faces meeting at a vertex; the safe edges are those of the hidden faces meeting at the opposite vertex, so the probability is An edge cube shows adjacent faces, which touch edges, leaving safe: probability A face-center cube shows face touching edges, leaving safe: probability The center cube is always fine.
With corner, edge, and face-center cubes, the probability is so
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