数分面试题!20m³的空间可以装多少乒乓球?

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2020-09-15 13:57

“20m³的空间可以装多少乒乓球?”


好的,有人可能已经算出结果了。

已知:

  • 乒乓球的标准直径是4cm,也就是0.04m;

  • 球形体积公式为

然后用总空间体积除以单个乒乓球体积就行。

等一下,也许应该先问几个问题:

Q1: 20m³的空间是怎样的?

如果是0.02m*20m*50m的容器,看起来就像一个很扁的盒子(乒乓球塞进去就瘪了)或者超大的盘子,对吧,不过这里对空间的要求是封闭的,也就是乒乓球不能超越容器的边界(不能在盘子里“堆尖尖”);

Q2: 乒乓球是要保证完好地装进去?

是的,把乒乓球搞成渣渣这种操作是不允许的,就是普通的一个一个的乒乓球,不能破坏乒乓球。

这是面试遇到的题,面试官问我们所处的会议室能装多少乒乓球?会议室大小大概是2m宽、2m高、5m长(为了便于计算就尽量取整了),这也就是文章开头提到的20m³的由来。

不过我改动了下,先设定体积(模糊信息),如果直接开算,那上面的两个问题就是潜在的坑。

在问题的信息不全或者模糊的时候,首先就是要“澄清问题”,看看问题的定义、边界或限定是怎样的。

好的,我们继续,现在是2*2*5的20m³的封闭空间,能装多少个完整的乒乓球?

接下来开始计算,前面已知了乒乓球的大小和球形体积公式,那么有


需要注意的是:

  • 单位要对齐,半径是2厘米要换算到米;

  • 速算的时候尽量取整,比如 可以直接约等于4


不过,这样对么?

当时我给到的答案是30W,这也是写这篇文章的原因——当时面试官提议让我再思考一下,复算过后还是咬定30W,面试官说答案是60W——不过,60W这个“答案”是错的!

下面是当时的“简单思路”:
把每个乒乓球看成是立方体,长宽高各是4厘米,那计算这个2*2*5的空间能装多少个这样的小立方体就行了。,取整就是30W。

为什么这样想?

  • 这个思路最简单,最容易算;

  • 肯定不能直接用乒乓球体积来当分母的,因为乒乓球之间有空隙(所以除非房间里有黑洞,怎么可能装下?);


在这个思路下,乒乓球的排列方式是行列整齐的,从侧面或者俯视角度都是方方正正的。


不过,优化乒乓球的排列方式,还可以放更多。


首先,从底向上一层一层地摆放时,可以调整每一层小球的位置使得更紧密。 

设乒乓球的半径为 ,“凹进去”的“夹层”(橙色小球)的高度 .

可以由

得到 ,“夹层”高度 是小于球的直径,所以能更有效利用空间。

不考虑最后一层的“边界情形”或者“夹层”的小球数相对于“普通层”有±1的误差,就按一排“蓝色”一排“橙色”这样排列,那么相对于整整齐齐排列,可以容纳的小球数量是之前的

其次,每层”堆叠“也可以改变排列方式 

其中:

  • 互切的4个小球的球心组成正四面体,棱边长度是2R


可以算得 .

进而得到

这样堆叠的效率就是整齐摆放的

同时运用上面两种摆放策略,那么理论上可以装的乒乓球数量就是

这就是优化后的排列方案。

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