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公式表

所有定理、概念和事实卡片(共 142 张),自动汇总并按单元分组。

组合计数

1. 排列

定义 1.2.1 · 阶乘

一个正整数的阶乘,是所有小于或等于它的正整数的乘积。换句话说,

n!=n×(n−1)×(n−2)×⋯×1.n! = n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times 1.
定理 1.2.4

把 nn 个互不相同的物体排成一排,方法数就是

n!=n×(n−1)×(n−2)×⋯×1.n! = n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times 1.
定理 1.3.1 · 排列公式

从 nn 个物体中取出 kk 个并排好顺序,方法数是

nPk=n!(n−k)!=n×(n−1)×(n−2)×⋯×(n−(k−1)).{}^{n}P_{k} = \frac{n!}{(n-k)!} = n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times (n-(k-1)).
定理 1.5.1 · 环排列

把 nn 个物体排成一圈,如果同一种排法的旋转不算作不同的排法,那么方法数是

(n−1)!(n-1)!

如果同一种排法的镜像(翻转)也不算作不同的排法,那么方法数是

(n−1)!2.\frac{(n-1)!}{2}.

2. 组合

定义 2.1.1

组合是一组物体的一种选法,其中物体的顺序不重要。

定理 2.1.3 · 组合数公式

从 nn 个物体中选出 kk 个,方法数是

(nk)=n!k! (n−k)!=n(n−1)(n−2)⋯(n−k+1)k!.\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!} = \frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1)}{k!}.
定理 2.2.1 · 二项式恒等式

二项式恒等式是说:

(n0)+(n1)+⋯+(nn)=2n.\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \cdots + \binom{n}{n} = 2^n.

3. 字母重排

定理 3.1.2 · 字母重排公式

一个单词的字母排列方法数是

n!d1!×d2!×d3!×⋯\frac{n!}{d_1! \times d_2! \times d_3! \times \cdots}

其中 nn 是字母的总个数,d1,d2,d3,…d_1, d_2, d_3, \ldots 分别是单词中每个重复字母出现的次数。

4. 概率

定理 4.1.2 · 概率
概率=想要的结果总数所有可能的结果总数\text{概率} = \frac{\text{想要的结果总数}}{\text{所有可能的结果总数}}

当每种结果都是等可能的时候(比如一颗均匀骰子的各个面),这个公式才成立。

概念 4.3.1 · 概率中的分类讨论

当题目要求某个事件的概率时,你常常需要用分类讨论来数出符合要求的结果数。然后再除以结果总数,而结果总数通常很容易求。

5. 分类讨论

概念 5.1.1 · 分类讨论

分类讨论就是在解计数或概率问题时,考虑各种不同的情况,再把它们加起来。很多计数或概率问题都可以这样解:把问题分成几种情况,分别算出每种情况的排法数或概率,最后求和。

当没有其他明显的思路时,就可以试试分类讨论,它是 AMC 8 中最常用的技巧之一。

好的分类要做到不重不漏:既互不重叠(没有一个结果同时属于两种情况),又完整(每个结果都属于某一种情况)。这样,各种情况的个数加起来就是答案。

7. 容斥原理(PIE)

定义 7.2.1 · 并集符号

∣A∪B∣|A \cup B| 表示 AA 和 BB 的并集中元素的个数(也就是属于集合 AA 或集合 BB 的所有元素,重复的只算一次)。

定义 7.2.2 · 交集符号

∣A∩B∣|A \cap B| 表示 AA 和 BB 的交集中元素的个数(也就是只算那些同时属于两个集合的元素)。

定理 7.2.3 · 两个集合的容斥原理

对于两个集合,元素个数分别为 ∣A1∣|A_1| 和 ∣A2∣|A_2|,有

∣A1∪A2∣=∣A1∣+∣A2∣−∣A1∩A2∣.|A_1 \cup A_2| = |A_1| + |A_2| - |A_1 \cap A_2|.

简单地说,就是把两类“东西”的可能数加起来,再减去重复的部分。

定理 7.3.1 · 三个集合的容斥原理

对于三个集合,元素个数分别为 ∣A1∣,∣A2∣,∣A3∣|A_1|, |A_2|, |A_3|,有

∣A1∪A2∪A3∣=∣A1∣+∣A2∣+∣A3∣−∣A1∩A2∣−∣A1∩A3∣−∣A2∩A3∣+∣A1∩A2∩A3∣.\begin{aligned}|A_1 \cup A_2 \cup A_3| = {} & |A_1| + |A_2| + |A_3| \\ & - |A_1 \cap A_2| - |A_1 \cap A_3| - |A_2 \cap A_3| \\ & + |A_1 \cap A_2 \cap A_3|.\end{aligned}

在这个公式里,我们先把三类“东西”的可能数加起来,再减去每两个集合之间重复的部分(共 3 对),最后把三个集合共有的部分加回来。

概念 7.4.1 · 容斥原理的推广

数超过 3 个事件时,道理也一样。对于任意 nn 个事件,要求出至少有一个事件发生的方法总数:

  1. 求出每个事件单独发生的方法数。
  2. 对每一对(2 个)事件,减去两个都发生的方法数。
  3. 对每一组 3 个事件,加回三个都发生的方法数。
  4. 对每一组 4 个事件,减去四个都发生的方法数……
  5. 对全部 nn 个事件,当 nn 是奇数时加上、当 nn 是偶数时减去它们全都发生的方法数。

加和减轮流进行,直到算到全部 nn 个事件都发生的情况。因为加减是交替的,所以全部 nn 个事件都发生的方法数是加还是减,取决于 nn 是不是奇数。

定理 7.4.2 · 容斥原理的一般公式

更正式地说,如果 (Ai)1≤i≤n(A_i)_{1 \le i \le n} 都是有限集合,那么:

∣⋃i=1nAi∣=∑i=1n∣Ai∣−∑i<j∣Ai∩Aj∣+∑i<j<k∣Ai∩Aj∩Ak∣−⋯+(−1)n−1∣A1∩⋯∩An∣.\left|\bigcup_{i=1}^{n} A_i\right| = \sum_{i=1}^{n} |A_i| - \sum_{i<j} |A_i \cap A_j| + \sum_{i<j<k} |A_i \cap A_j \cap A_k| - \cdots + (-1)^{n-1} |A_1 \cap \cdots \cap A_n|.

8. 隔板法

定理 8.1.1 · 隔板法

把 nn 个不可区分的物品放进 kk 个可区分的盒子里,方法数是

(n+k−1n).\binom{n+k-1}{n}.
概念 8.2.1 · 先每份给一个

隔板法非常有用,而且常常可以根据情况灵活变通。例如,如果每个盒子里至少要有 1 个物品,就先给每个盒子放 1 个。然后对 n−kn-k 个物品和 kk 个可区分的盒子使用公式:

((n−k)+k−1k−1)=(n−1k−1).\binom{(n-k)+k-1}{k-1} = \binom{n-1}{k-1}.

9. 几何计数

定理 9.2.1 · 方格中的正方形个数

在 n×nn \times n 的正方形方格中,正方形的个数是

12+22+⋯+n2=n(n+1)(2n+1)6.1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{n(n+1)(2n+1)}{6}.
定理 9.3.1 · 方格中的长方形个数

在 m×nm \times n 的长方形方格中,各种大小的长方形个数的一般公式是

(m+12)×(n+12).\binom{m+1}{2} \times \binom{n+1}{2}.
定理 9.4.1 · 格路

只向上和向右走,从 (0,0)(0,0) 走到点 (m,n)(m,n) 的方法数是

(m+nm).\binom{m+n}{m}.

10. 递推

概念 10.2.1 · 用递推解题

用递推解题,按下面的步骤做:

  1. 先自己动手算出几个较小的初始值。
  2. 一般来说,递推式右边有几项,就需要几个初始值。
  3. 对给定的 f(n)f(n),找出用前面的函数值表示它的递推式。想一想到达那个位置有哪些不同的方式。
  4. 一个接一个地算出 f(n)f(n) 的值,直到算出你要的那个数。
概念 10.3.1 · 概率递推

做概率递推时,一个好办法是直接列一张表,求出每过一个时间步后在每个位置上的概率。记住:每跳一次后,总概率必须始终是 11。

代数

11. 比与百分比

定理 11.2.1 · 工作量、工作效率与时间
工作量=工作效率×时间\text{工作量} = \text{工作效率} \times \text{时间}

也可以写成

工作效率=工作量时间时间=工作量工作效率\text{工作效率} = \frac{\text{工作量}}{\text{时间}} \qquad \text{时间} = \frac{\text{工作量}}{\text{工作效率}}
定理 11.2.2 · 合作完成

如果一个人做一件事要用 aa 的时间,另一个人做这件事要用 bb 的时间,那么两人合作完成需要

aba+b\frac{ab}{a+b}

的时间。

12. 代数变形与方程

概念 12.1.1 · 二次式的因式分解

如果有一个形如 x2+bx+cx^2 + bx + c 的二次式,就可以把它因式分解成 (x+p)(x+q)(x + p)(x + q),其中 p+q=bp + q = b,pq=cpq = c。一般可以通过尝试检验找到这两个数。

然后,只要解形如 x+r=0x + r = 0 的一次方程就行了。

概念 12.1.2 · 韦达定理

如果形如 x2+bx+cx^2 + bx + c 的二次式有 2 个根 rr 和 ss,那么 r+s=−br + s = -b,rs=crs = c。有时你不需要算出两个根,只要求出用根表示的式子就行。

定理 12.1.3 · 求根公式

二次方程

ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0

的解是

x=−b±b2−4ac2a.x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}.
概念 12.2.1 · 解一般方程组

当你从应用题里列出了方程组,或者题目直接给了你一个方程组,就可以考虑用下面一种或几种方法来解。

  1. 利用对称性
  2. 代入未知数
  3. 消元法
  4. 把方程相加、相减或相乘
  5. 平方差:x2−y2=(x−y)(x+y)x^2 - y^2 = (x - y)(x + y)
  6. 二项式展开:(x+y)2=x2+2xy+y2(x + y)^2 = x^2 + 2xy + y^2 和 (x−y)2=x2−2xy+y2(x - y)^2 = x^2 - 2xy + y^2
  7. 其他常见的因式分解技巧(更多内容见代数数论那一章)
  8. 有平方根时,把方程两边平方
  9. 引入新的未知数再代入(换元法)
  10. 画出方程的图像(建议用方格纸)
概念 12.3.1 · 方程组应用题

这是 AMC 8 中最常见的题型之一。解这类题的窍门就是:给题目中的未知量设未知数,然后把方程解出来。

13. 速度、路程与时间

定理 13.1.1 · 路程、速度与时间
路程=速度×时间\text{路程} = \text{速度} \times \text{时间}

也可以写成

速度=路程时间时间=路程速度\text{速度} = \frac{\text{路程}}{\text{时间}} \qquad \text{时间} = \frac{\text{路程}}{\text{速度}}
定理 13.1.2 · 平均速度
平均速度=总路程总时间\text{平均速度} = \frac{\text{总路程}}{\text{总时间}}

14. 数列与级数

定义 14.1.3 · 等差数列的记号

一般地,等差数列的各项可以写成:

a1,a2,a3,a4,…,ana_1, a_2, a_3, a_4, \ldots, a_n

其中

  • dd 是相邻两项之差,即公差
  • nn 是项数
定理 14.1.4 · 等差数列的通项公式
an=a1+(n−1)da_n = a_1 + (n-1)d

意思是,等差数列的第 nn 项等于

首项+(项数−1)(公差)\text{首项} + (\text{项数} - 1)(\text{公差})

我们还有

an=am+(n−m)da_n = a_m + (n-m)d

意思是

第 n 项=第 m 项+(项数−m)(公差)\text{第 } n\text{ 项} = \text{第 } m\text{ 项} + (\text{项数} - m)(\text{公差})
定理 14.1.5 · 等差数列的项数
n=an−a1d+1n = \frac{a_n - a_1}{d} + 1

也就是说,

项数=末项−首项公差+1\text{项数} = \frac{\text{末项} - \text{首项}}{\text{公差}} + 1
定理 14.1.6 · 等差数列各项的平均数
各项的平均数=a1+an2\text{各项的平均数} = \frac{a_1 + a_n}{2}
各项的平均数=a1+a2+⋯+ann\text{各项的平均数} = \frac{a_1 + a_2 + \cdots + a_n}{n}

也就是说

各项的平均数=首项+末项2\text{各项的平均数} = \frac{\text{首项} + \text{末项}}{2}
各项的平均数=所有项的和项数\text{各项的平均数} = \frac{\text{所有项的和}}{\text{项数}}

如果项数是偶数,平均数 xx = 中间 2 项的平均数。

如果项数是奇数,平均数 xx = 中间那一项。

定理 14.1.7 · 等差数列所有项的和
Sn=a1+an2×nS_n = \frac{a_1 + a_n}{2} \times n

也就是说

所有项的和=各项的平均数×项数\text{所有项的和} = \text{各项的平均数} \times \text{项数}

我们也可以代入 an=a1+(n−1)da_n = a_1 + (n-1)d,得到

Sn=2a1+(n−1)d2×nS_n = \frac{2a_1 + (n-1)d}{2} \times n
定理 14.2.1 · 自然数求和公式

前 n 个正整数的和:

1+2+3+⋯+n=(n)(n+1)21 + 2 + 3 + \cdots + n = \frac{(n)(n+1)}{2}
定理 14.2.2 · 奇数求和公式
1+3+5+⋯+(2n−1)=n21 + 3 + 5 + \cdots + (2n-1) = n^2

简单地说,

前 n 个奇数的和=n2\text{前 } n \text{ 个奇数的和} = n^2
定理 14.2.3 · 偶数求和公式
2+4+6+⋯+2n=n(n+1)2 + 4 + 6 + \cdots + 2n = n(n+1)

直观地想:从每一项里提出公因数 22:

2(1+2+3+⋯+n)=2 (n)(n+1)2=n(n+1)2(1 + 2 + 3 + \cdots + n) = 2\,\frac{(n)(n+1)}{2} = n(n+1)

简单地说,

前 n 个偶数的和=2×前 n 个正整数的和\text{前 } n \text{ 个偶数的和} = 2 \times \text{前 } n \text{ 个正整数的和}
定理 14.2.4 · 平方和公式

前 n 个正整数的平方和:

12+22+⋯+n2=(n)(n+1)(2n+1)61^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{(n)(n+1)(2n+1)}{6}
定理 14.2.5 · 立方和公式

前 n 个正整数的立方和:

13+23+⋯+n3=((n)(n+1)2)21^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \left(\frac{(n)(n+1)}{2}\right)^2
定义 14.3.2 · 等比数列的记号

一般地,等比数列的各项可以写成:

g1,g2,g3,g4,…,gng_1, g_2, g_3, g_4, \ldots, g_n

其中

  • rr 是相邻两项之比,即公比
  • nn 是项数
定理 14.3.4 · 等比数列的通项公式
gn=g1⋅rn−1g_n = g_1 \cdot r^{n-1}

意思是

等比数列的第 n 项=首项×(公比)项数−1\text{等比数列的第 } n\text{ 项} = \text{首项} \times (\text{公比})^{\text{项数} - 1}

求第 nn 项的一般形式:

gn=gm⋅r(n−m)g_n = g_m \cdot r^{(n-m)}

意思是

第 n 项=第 m 项×公比(n−m)\text{第 } n\text{ 项} = \text{第 } m\text{ 项} \times \text{公比}^{(n-m)}
定理 14.3.5 · 有限等比数列的项数
n=log⁡r(gng1)+1n = \log_r\left(\frac{g_n}{g_1}\right) + 1

也就是说,

项数 = 从 g1g_1 开始、要乘多少次 rr 才能得到 gng_n,再加 11。

定理 14.3.6 · 有限等比数列所有项的和
Sn=g1 (1−rn)1−rS_n = g_1\,\frac{(1 - r^n)}{1 - r}

也就是说

所有项的和=首项×1−公比n1−公比\text{所有项的和} = \text{首项} \times \frac{1 - \text{公比}^n}{1 - \text{公比}}
定理 14.3.7 · 无穷等比数列所有项的和

当 −1<r<1-1 < r < 1 时,

S∞=g11−rS_\infty = \frac{g_1}{1 - r}
概念 14.4.1

解这类题的一种策略,是把数列拆成几个等比数列。另一种策略是把整个式子记作 SS,然后把 SS 除以某个数,使得用 SS 减去它之后,大部分项都能消掉。这种方法更快,但更难想到。

15. 平均数、中位数、众数

定义 15.1.1 · 平均数
平均数=所有项的平均值=所有项之和项数\text{平均数} = \text{所有项的平均值} = \frac{\text{所有项之和}}{\text{项数}}
定义 15.1.3 · 众数
众数=出现次数最多的项\text{众数} = \text{出现次数最多的项}
定义 15.1.5 · 中位数

先把这些数按从小到大(或从大到小)的顺序排好:

如果项数是奇数,

中位数=正中间的数\text{中位数} = \text{正中间的数}

如果项数是偶数,

中位数=中间两个数的平均数\text{中位数} = \text{中间两个数的平均数}
定义 15.1.6 · 极差
极差=最大数−最小数\text{极差} = \text{最大数} - \text{最小数}

16. 裂项相消

概念 16.2.1 · 裂项相消

写出开头几项和末尾几项,把你看到的能抵消的项都消掉。

数论

17. 质数与整除

定义 17.1.1 · 质数

质数是恰好有两个因数的数:11 和它本身。

例如:2,3,5,7,11,13,17,19,232, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 都是质数。

注意:11 不是质数(它只有一个因数),而 22 是唯一的偶质数。

概念 17.2.1 · 整除判定法则
除数 法则
2 个位数字是偶数
3 各位数字之和能被 3 整除
4 末两位能被 4 整除
5 个位数字是 0 或 5
6 能被 2 和 3 整除
7 不断减去 7 的倍数,直到剩下一个小数,再看它能不能被 7 整除
8 末三位能被 8 整除
9 各位数字之和能被 9 整除
10 个位数字是 0
11 把奇数位上的数字相加(OO),偶数位上的数字相加(EE)。如果 ∣O−E∣\lvert O - E \rvert 能被 11 整除,这个数就能被 11 整除
12 能被 3 和 4 整除
15 能被 3 和 5 整除
定理 17.4.1 · 勒让德定理

n!n! 中质因数 pp 的个数是

vp(n!)=⌊np⌋+⌊np2⌋+⌊np3⌋+⋯v_p(n!) = \left\lfloor \frac{n}{p} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{n}{p^2} \right\rfloor + \left\lfloor \frac{n}{p^3} \right\rfloor + \cdots

这里 ⌊x⌋\lfloor x \rfloor 表示“把 xx 向下取整”。

18. 因数

定理 18.1.1 · 一个数的因数个数

如果一个数的质因数分解写成

p1e1×p2e2×⋯×pkekp_1^{e_1} \times p_2^{e_2} \times \cdots \times p_k^{e_k}

那么这个数的因数个数是

(e1+1)(e2+1)⋯(ek+1)(e_1 + 1)(e_2 + 1) \cdots (e_k + 1)
概念 18.1.2

简单来说,求一个数的因数个数分三步:

  1. 求出这个数的质因数分解
  2. 把每个指数都加 1
  3. 把它们乘起来
概念 18.1.3

可以这样理解这个公式:对每个质数 pkp_k,因数里它的指数可以是从 00 到 eke_k 的任何值。所以有 ek+1e_k + 1 种选择。因此,因数的总个数就是所有这些 ek+1e_k + 1 的乘积。

例如,在 112=24×7112 = 2^4 \times 7 中,因数里 22 的幂可以是 202^0、212^1、222^2、232^3 或 242^4;77 的幂可以是 707^0 或 717^1。

所以一共有 5×2=105 \times 2 = 10 种,和前面算出的一样。以后题目加上其他条件时,这种思路会很有用。

定理 18.2.1 · 一个数的因数和

如果一个数的质因数分解写成

p1e1×p2e2×⋯×pkekp_1^{e_1} \times p_2^{e_2} \times \cdots \times p_k^{e_k}

那么这个数的因数和是

(1+p11+p12+⋯+p1e1−1+p1e1)(1+p21+p22+⋯+p2e2−1+p2e2)⋯(1+pk1+pk2+⋯+pkek−1+pkek)(1 + p_1^1 + p_1^2 + \cdots + p_1^{e_1 - 1} + p_1^{e_1})(1 + p_2^1 + p_2^2 + \cdots + p_2^{e_2 - 1} + p_2^{e_2}) \cdots (1 + p_k^1 + p_k^2 + \cdots + p_k^{e_k - 1} + p_k^{e_k})
概念 18.2.2 · 一个数的因数和

本质上,对质因数分解中的每个质数 pp,先把所有可能的指数 kk 对应的 pkp^k 加起来。然后把所有质数的这些和乘起来,就得到这个数所有因数的和。这听起来有点复杂,看一个例子就清楚了。

定理 18.3.1 · 一个数的因数积

如果一个数 nn 有 ff 个因数(这个数可以用因数个数公式算出),那么它所有因数的积是

nf2n^{\frac{f}{2}}

19. 最大公因数与最小公倍数

定义 19.1.1 · 最大公因数

两个或多个整数(不全为零)的最大公因数(GCD),是能整除其中每一个整数的最大正整数。

注: 它也叫最大公约数(英文也写作 GCF,即 Greatest Common Factor),这些叫法常常混用。

定义 19.1.2 · 最小公倍数

两个或多个整数(不全为零)的最小公倍数(LCM),是能被这些数整除的最小正整数。

概念 19.1.3

mm 和 nn 的最大公因数 =gcd⁡(m,n)= \gcd(m, n),可以这样求:在 mm 和 nn 的质因数分解中,每个质因数取较低的指数。

mm 和 nn 的最小公倍数 =lcm⁡(m,n)= \operatorname{lcm}(m, n),可以这样求:在 mm 和 nn 的质因数分解中,每个质因数取较高的指数。

定理 19.2.1

两个数的最大公因数与最小公倍数之积,等于这两个数之积:

gcd⁡(m,n)×lcm⁡(m,n)=m×n\gcd(m, n) \times \operatorname{lcm}(m, n) = m \times n
定理 19.3.1

公因数可以提出来:

gcd⁡(ac,bc)=c⋅gcd⁡(a,b)\gcd(ac, bc) = c \cdot \gcd(a, b)
定理 19.3.2

公因数可以提出来:

lcm⁡(ac,bc)=c⋅lcm⁡(a,b)\operatorname{lcm}(ac, bc) = c \cdot \operatorname{lcm}(a, b)
定理 19.3.3

如果一个数能被两个数 aa 和 bb 整除,那么它也能被 lcm⁡(a,b)\operatorname{lcm}(a, b) 整除。

定理 19.4.1 · 辗转相除法

辗转相除法(欧几里得算法)告诉我们:

gcd⁡(x,y)=gcd⁡(x−ky,y)\gcd(x, y) = \gcd(x - ky, y)

其中 x>yx > y,kk 是正整数。

20. 模运算

定义 20.1.1 · 同余
n≡a(modb)n \equiv a \pmod{b}

表示数 nn 和 aa 除以 bb 所得的余数相同。

定理 20.2.1 · 乘法法则

如果 a≡x(modn)a \equiv x \pmod{n} 且 b≡y(modn)b \equiv y \pmod{n},那么

ab≡xy(modn)ab \equiv xy \pmod{n}
定理 20.3.1 · 乘方法则

如果 a≡x(modn)a \equiv x \pmod{n},那么

am≡xm(modn)a^m \equiv x^m \pmod{n}
概念 20.4.1 · 合并同余式

通常可以把关于不同模的同余式合并成一个。例如,如果 x≡1(mod5)x \equiv 1 \pmod{5} 且 x≡1(mod7)x \equiv 1 \pmod{7},那么 x≡1(mod35)x \equiv 1 \pmod{35}。

概念 20.5.1 · 尾数周期

要求 aba^b 这样的大数的末几位数字,一个可行的策略是找规律:先算出 aba^b 的前几个值,然后发现当 bb 很大时,这个规律会一直循环下去。

21. 不定方程

概念 21.0.2

对于一般的代数方程,如果有 nn 个未知数要求,就需要 nn 个方程。但不定方程不是这样,因为我们多了一个条件:每个未知数都是整数。这个条件正是解不定方程的关键。

定理 21.1.1 · 平方差公式
x2−y2=(x−y)(x+y)x^2 - y^2 = (x - y)(x + y)
定理 21.1.2 · 完全平方公式
(x+y)2=x2+2xy+y2=(x−y)2+4xy(x + y)^2 = x^2 + 2xy + y^2 = (x - y)^2 + 4xy
(x−y)2=x2−2xy+y2=(x+y)2−4xy(x - y)^2 = x^2 - 2xy + y^2 = (x + y)^2 - 4xy
(x+y)2+(x−y)2=2(x2+y2)(x + y)^2 + (x - y)^2 = 2(x^2 + y^2)
(x+y)2−(x−y)2=4xy(x + y)^2 - (x - y)^2 = 4xy
(x+y+z)2=x2+y2+z2+2(xy+yz+xz)(x + y + z)^2 = x^2 + y^2 + z^2 + 2(xy + yz + xz)
定理 21.2.1 · 西蒙因式分解技巧
xy+kx+jy+jk=(x+j)(y+k)xy + kx + jy + jk = (x + j)(y + k)
定理 21.4.1 · 立方差公式
x3−y3=(x−y)(x2+xy+y2)x^3 - y^3 = (x - y)(x^2 + xy + y^2)
定理 21.4.2 · 立方和公式
x3+y3=(x+y)(x2−xy+y2)x^3 + y^3 = (x + y)(x^2 - xy + y^2)
定理 21.4.3 · 完全立方公式
(x+y)3=x3+3xy(x+y)+y3(x + y)^3 = x^3 + 3xy(x + y) + y^3
(x+y)3=x3+3x2y+3xy2+y3(x + y)^3 = x^3 + 3x^2y + 3xy^2 + y^3
(x−y)3=x3−3xy(x−y)−y3(x - y)^3 = x^3 - 3xy(x - y) - y^3
(x−y)3=x3−3x2y+3xy2−y3(x - y)^3 = x^3 - 3x^2y + 3xy^2 - y^3

22. 数论杂题

定义 22.1.1 · 回文数

回文数是正着读和倒着读都一样的数。

例如,77、4444、383383 和 1232112321 都是回文数,但 123123 不是。

定理 22.4.1 · 麦乐鸡定理

如果 aa 和 bb 互质,那么不能表示成 aa 与 bb 的非负整数倍之和的最大数是

ab−a−bab - a - b

对于互质的正整数 a,ba, b,恰好有

(a−1)(b−1)2\frac{(a-1)(b-1)}{2}

个正整数不能表示成 ma+nbma + nb 的形式,其中 mm 和 nn 是非负整数。

几何

23. 导角

概念 23.1.1 · 导角技巧
  • 三角形的内角和是 180∘180^\circ
  • 一个三角形如果有 2 个角相等,那么它们所对的边也相等;如果有 2 条边相等,那么它们所对的角也相等(等腰三角形)
  • 两条直线相交,对顶角相等
  • 两条平行线被截时,同位角相等
  • 一条弧所对的圆心角,是它所对的圆周角的 2 倍
概念 23.1.2 · 互余的角

互余的角是和为 90 度的两个角:

a+b=90∘a + b = 90^\circ
概念 23.1.3 · 互补的角

互补的角是和为 180 度的两个角:

a+b=180∘a + b = 180^\circ
概念 23.1.4 · 相交直线

两条直线相交时,对顶角相等。对顶角是两条相交直线形成的、位置相对的两对角中的每一对。它们共用同一个顶点,而且两边互为反向延长线,所以叫“对顶”角。(英文叫 vertical angles,这里的 vertical 指“共用顶点(vertex)”,而不是平常“竖直”的意思。)

概念 23.1.5 · 平行线

同位角相等:一条直线截两条平行线时,两个交点处位置对应的角大小相同。

定理 23.2.1 · 圆周角定理

一条弧所对的圆心角(也就是弧的度数)是它所对的圆周角的 2 倍。

∠AOB=2 ∠APB\angle AOB = 2\,\angle APB

凡是顶点在圆上、对着同一条弧的角都相等。

推论 23.2.4 · 直径所对的圆周角

内接于圆、以直径为一边的三角形一定是直角三角形。直径截出一条 180∘180^\circ 的弧,所以它所对的角是 180∘2=90∘\frac{180^\circ}{2} = 90^\circ。

定理 23.3.1
多边形的内角和=(n−2)⋅180\text{多边形的内角和} = (n-2)\cdot 180
正多边形的每个内角=(n−2)n⋅180\text{正多边形的每个内角} = \frac{(n-2)}{n}\cdot 180
正多边形的每个外角=360n\text{正多边形的每个外角} = \frac{360}{n}
事实 23.3.2 · 重要的内角
正多边形的边数 正多边形的每个内角
3 60
4 90
5 108
6 120
8 135
9 140
10 144
定理 23.4.2

任意一条弦的垂直平分线都经过圆心。图中,ABAB 和 CDCD 的垂直平分线交于圆心 OO。

推论 23.4.3
  • 相等的弦到圆心的距离相等。
  • 如果圆中两条弦相等,那么它们所对的弧相等。
  • 如果圆中两条弦相等,那么它们所对的两个圆心角相等。
定理 23.4.4

图中标出的角等于两条红色弧的差的一半。

∠APC=BD⌢−AC⌢2\angle APC = \frac{\overset{\frown}{BD} - \overset{\frown}{AC}}{2}
定理 23.4.5

如果两条弦 ABAB 和 CDCD 交于 PP,那么 ∠BPC\angle BPC 和 ∠APD\angle APD 都等于两条弧的平均数。

∠BPC=∠APD=BC⌢+AD⌢2\angle BPC = \angle APD = \frac{\overset{\frown}{BC} + \overset{\frown}{AD}}{2}
定理 23.4.6

如果切线 RR 与圆相切于 QQ,再画一条弦 QPQP,那么 ∠RQP\angle RQP 等于弧的度数的一半。

∠RQP=QP⌢2\angle RQP = \frac{\overset{\frown}{QP}}{2}
定理 23.4.7

相等的弦截出相等的弧。

意思就是:如果有 2 条一样长的弦,它们在圆上截出的部分也一样大。

定理 23.4.9 · 切点处的直角

把圆心和直线与圆的切点连起来,这条半径和切线成直角。

24. 三角形

定理 24.1.1 · 用底和高求面积

底为 bb、高为 hh 的三角形,面积是

12⋅b⋅h\frac{1}{2}\cdot b\cdot h

高是从顶点向底边所在直线作的垂线段。

定理 24.1.2 · 海伦公式

三边为 a,b,ca, b, c、半周长为 ss 的三角形,面积是

s(s−a)(s−b)(s−c)\sqrt{s(s-a)(s-b)(s-c)}

半周长就是周长的一半:s=a+b+c2s = \frac{a+b+c}{2}。

定理 24.1.5 · 用内切圆半径求三角形面积

内切圆半径为 rr(即三角形内切圆的半径)、半周长为 ss 的三角形,面积是:

内切圆半径⋅半周长=rs\text{内切圆半径}\cdot\text{半周长} = rs
定理 24.1.7

直角三角形的内切圆半径 rr:

r=12(a+b−c)r = \frac{1}{2}(a+b-c)

其中 aa 和 bb 是三角形的两条直角边,cc 是斜边。

定理 24.1.10 · 用外接圆半径求三角形面积

外接圆半径为 RR(即三角形外接圆的半径)、三边为 a,b,ca, b, c 的三角形,面积是

abc4R\frac{abc}{4R}
定理 24.2.1 · 等边三角形

如果等边三角形的边长是 aa:

三角形的高=32a\text{三角形的高} = \frac{\sqrt{3}}{2}a

这可以直接由 30−60−9030-60-90 三角形得到。

三角形的面积=34a2\text{三角形的面积} = \frac{\sqrt{3}}{4}a^2
定理 24.2.2 · 45°-45°-90° 三角形

如果 45°-45°-90° 三角形的直角边长是 aa:

三角形的斜边=2×直角边长=2a\text{三角形的斜边} = \sqrt{2}\times\text{直角边长} = \sqrt{2}a
三角形的面积=12×直角边长2=12a2\text{三角形的面积} = \frac{1}{2}\times\text{直角边长}^2 = \frac{1}{2}a^2
定理 24.2.3 · 30°-60°-90° 三角形

如果 30°-60°-90° 三角形的短直角边长是 aa:

三角形的长直角边=3×短直角边=3a\text{三角形的长直角边} = \sqrt{3}\times\text{短直角边} = \sqrt{3}a
三角形的斜边=2×短直角边=2a\text{三角形的斜边} = 2\times\text{短直角边} = 2a
面积=32×短直角边2=32a2\text{面积} = \frac{\sqrt{3}}{2}\times\text{短直角边}^2 = \frac{\sqrt{3}}{2}a^2
定理 24.2.4 · 13-14-15 三角形

如果三角形的三条边是 13、14 和 15,它可以分成两个直角三角形,边长分别是:5,12,135, 12, 13 和 9,12,159, 12, 15。

这个三角形的面积 =12×14×12=84= \frac{1}{2}\times 14\times 12 = 84

定理 24.3.1 · 勾股定理

直角边为 aa 和 bb、斜边为 cc 的直角三角形满足下面的关系:

c2=a2+b2c^2 = a^2 + b^2
事实 24.3.2 · 重要的勾股数

重要的勾股数

3,4,53, 4, 5 · 5,12,135, 12, 13 · 7,24,257, 24, 25 · 8,15,178, 15, 17 · 9,40,419, 40, 41 · 20,21,2920, 21, 29

把一组勾股数中的每个数都乘以同一个数,得到的仍然是一组勾股数。例如,下面这些都是勾股数:3,4,53, 4, 5 · 6,8,106, 8, 10 · 9,12,159, 12, 15 · 12,16,2012, 16, 20 · 15,20,2515, 20, 25。

定理 24.3.3 · 直角三角形的特殊性质

在直角三角形 ABCABC 中,BB 是直角,设 DD 是从 BB 向 ACAC 作垂线的垂足。下面这几个三角形相似:

△ABC∼△ADB∼△BDC\triangle ABC \sim \triangle ADB \sim \triangle BDC

斜边上的高的长度:BD=AB⋅BCACBD = \frac{AB\cdot BC}{AC}。

还要注意:

AD⋅CD=BD2AD⋅AC=AB2CD⋅CA=CB2AD\cdot CD = BD^2 \qquad AD\cdot AC = AB^2 \qquad CD\cdot CA = CB^2
定理 24.4.4

三角形的重心在中线上,从顶点走向对边中点,走到全程的 23\frac{2}{3} 处就是重心。

定理 24.4.5 · 直角三角形斜边上的中线

在直角三角形 ABCABC 中,设从点 BB 出发的中线与 ACAC 交于点 PP。那么

AP=BP=CP.AP = BP = CP.

其实,在直角三角形中,ACAC 是外接圆的直径,而 PCPC、PAPA 和 PBPB 都是外接圆的半径。

定理 24.5.1 · 角平分线定理

如果直线 ADAD 平分角 AA,那么

ABBD=ACCD\frac{AB}{BD} = \frac{AC}{CD}

25. 四边形

定理 25.1.1 · 正方形的面积

边长为 ss 的正方形,面积是

s2s^2

周长是

4s4s
定理 25.2.1 · 长方形的面积

底为 bb、高为 hh 的长方形,面积是

bhbh

周长是

2b+2h2b + 2h
定理 25.3.1 · 菱形的面积

两条对角线分别为 d1d_1 和 d2d_2 的菱形,面积是

12d1d2\frac{1}{2}d_1 d_2

周长是

2×d12+d222 \times \sqrt{d_1^2 + d_2^2}
定理 25.4.1 · 平行四边形的面积

底为 bb、高为 hh 的平行四边形,面积是

bhbh
定理 25.5.1 · 梯形的面积

两条底分别为 b1b_1 和 b2b_2、高为 hh 的梯形,面积是

b1+b22⋅h\frac{b_1 + b_2}{2} \cdot h

26. 圆

定理 26.1.1 · 面积与周长

半径为 rr 的圆满足

面积=πr2\text{面积} = \pi r^2
周长=2πr\text{周长} = 2\pi r
定理 26.1.2 · 圆的弧

在半径为 rr 的圆中,取一段圆心角为 a∘a^\circ 的弧:

扇形面积=πr2×a∘360\text{扇形面积} = \pi r^2 \times \frac{a^\circ}{360}

也就是 π×半径2×\pi \times \text{半径}^2 \times(扇形占整个圆的几分之几)。

弧长=2πr×a∘360\text{弧长} = 2\pi r \times \frac{a^\circ}{360}

也就是 2π×半径×2\pi \times \text{半径} \times(扇形占整个圆的几分之几)。

27. 相似三角形

定理 27.1.1

对于全等三角形:

  1. 两个三角形的各个角对应相等
  2. 所有对应边都相等
  3. 面积、周长、内切圆半径、外接圆半径等都相等
概念 27.1.2 · 全等判定

如果两个三角形的三个角和三条边都对应相等,这两个三角形就全等。换句话说,这两个三角形是一样的(摆放方向不一定相同)。一般来说,满足下面任一条件的两个三角形全等:

  • AAS 全等(角角边):两个三角形有两个角对应相等,并且这两个角旁边的 1 条边也相等
  • SAS 全等(边角边):两条边对应相等,并且这两条边的夹角相等
  • SSS 全等(边边边):三条边都对应相等
  • HL 全等(斜边、直角边):在直角三角形中,斜边和一条直角边对应相等
  • LL 全等(直角边、直角边):在直角三角形中,两条直角边对应相等

警告: SSA 不是三角形的全等判定:如果两条对应边相等,并且不是这两条边夹角的那个角相等,这两个三角形不一定全等

概念 27.2.1 · 相似判定

如果两个三角形的三个角都对应相等,这两个三角形就相似。换句话说,这两个三角形形状相同,只是按某个相似比放大或缩小了。

一般来说,满足下面任一条件的两个三角形相似:

  • AA 相似(角角):两个三角形有两个角对应相等,这其实意味着第三个角也相等
  • SAS 相似(边角边):两条边对应成比例,并且这两条边的夹角相等
  • SSS 相似(边边边):三条边都对应成比例
  • HL 相似(斜边、直角边):在直角三角形中,斜边和一条直角边对应成比例
  • LL 相似(直角边、直角边):在直角三角形中,两条直角边对应成比例

警告: SSA 不能说明两个三角形相似

判断相似三角形的一个简单方法:两个三角形的底边互相平行,并且它们的两腰分别在同一条直线上(见下面的沙漏图)。

定理 27.2.2

对于相似三角形:

  1. 两个三角形的各个角对应相等
  2. 所有对应边的比都相同
  3. 面积比等于边长之比(相似比)的平方

28. 组合图形的面积与长度

定理 28.1.1 · 正六边形

正六边形的内角和 =(6−2)⋅180=720= (6-2)\cdot 180 = 720

正六边形的每个内角 =(6−2)6⋅180=120= \dfrac{(6-2)}{6}\cdot 180 = 120

正六边形的每个外角 =3606=60= \dfrac{360}{6} = 60

正六边形的面积 =6⋅34s2= 6\cdot\dfrac{\sqrt3}{4}s^2

正六边形(最长)对角线的长 =2s= 2s

定理 28.2.1 · 正八边形

正八边形的内角和 =(8−2)⋅180=1080= (8-2)\cdot 180 = 1080

正八边形的每个内角 =(8−2)8⋅180=135= \dfrac{(8-2)}{8}\cdot 180 = 135

正八边形的每个外角 =3608=45= \dfrac{360}{8} = 45

正八边形的面积 =2(1+2)s2= 2(1+\sqrt2)s^2

概念 28.3.1 · 求组合图形面积的技巧
  • 把图形分成几个更“好算”的部分
  • 延长线段
    • 当延长后能得到更好处理的图形(比如三角形)时,通常就值得延长
  • 拆分面积
    • 常用的做法是作高,因为这样通常能得到直角三角形
概念 28.4.1 · 求组合图形的长度
  • 角相等意味着边相等,反过来也一样
  • 留意 90 度的角,因为这时可以用勾股定理
  • 用下面这些方法把长度拆成几段
    • 添加辅助线
    • 作高
    • 延长线段,构造相似三角形、特殊三角形等,再减去多出来的长度

29. 立体几何

定理 29.1.1 · 正方体的体积和表面积
正方体的体积=(棱长)3=a3\text{正方体的体积} = (\text{棱长})^3 = a^3
正方体的表面积=6×(棱长)2=6a2\text{正方体的表面积} = 6 \times (\text{棱长})^2 = 6a^2
正方体的体对角线长=3×棱长=3a\text{正方体的体对角线长} = \sqrt{3} \times \text{棱长} = \sqrt{3}a

顺便一提,面对角线的长是 2a\sqrt{2}a。

定理 29.2.1 · 长方体的体积和表面积
长方体的体积=l×b×h=三条棱长的乘积\text{长方体的体积} = l \times b \times h = \text{三条棱长的乘积}
长方体的表面积=2(lb+bh+lh)\text{长方体的表面积} = 2(lb + bh + lh)
长方体的体对角线长=l2+b2+h2\text{长方体的体对角线长} = \sqrt{l^2 + b^2 + h^2}
定理 29.2.2 · 棱柱的体积
棱柱的体积=底面积⋅高\text{棱柱的体积} = \text{底面积} \cdot \text{高}
定理 29.2.3 · 棱柱的表面积
棱柱的表面积=2⋅底面积+底面周长×高\text{棱柱的表面积} = 2 \cdot \text{底面积} + \text{底面周长} \times \text{高}

把棱柱展开:两个底面,再加上一条长长的带子,带子的宽就是底面周长。

定理 29.3.1 · 棱锥的体积
任意棱锥的体积=13⋅底面积⋅高\text{任意棱锥的体积} = \frac{1}{3} \cdot \text{底面积} \cdot \text{高}

高 hh 是从顶点笔直向下量到底面的距离。

定理 29.3.2 · 正四棱锥的体积(所有棱都相等)

当棱锥的底面是正方形,并且所有的棱都相等时,

正四棱锥的体积=26s3\text{正四棱锥的体积} = \frac{\sqrt{2}}{6}s^3
定理 29.3.3 · 正四面体的体积(所有棱都相等)
正四面体的体积=212s3\text{正四面体的体积} = \frac{\sqrt{2}}{12}s^3
定理 29.4.1 · 圆柱的体积和表面积
圆柱的体积=πr2h\text{圆柱的体积} = \pi r^2 h
圆柱的表面积=2πr2+2πrh=2πr(r+h)\text{圆柱的表面积} = 2\pi r^2 + 2\pi r h = 2\pi r(r + h)

两个圆给出 2πr22\pi r^2。侧面展开后是一个宽 2πr2\pi r、高 hh 的长方形。

定理 29.5.1 · 圆锥的体积和表面积
圆锥的体积=13πr2h\text{圆锥的体积} = \frac{1}{3}\pi r^2 h

也就是

圆锥的体积=13π⋅半径2⋅高\text{圆锥的体积} = \frac{1}{3}\pi \cdot \text{半径}^2 \cdot \text{高}
圆锥的表面积=πr2+πrs=πr(r+s)\text{圆锥的表面积} = \pi r^2 + \pi r s = \pi r(r + s)

其中 ss 是斜高(母线长),也可以写成

π⋅半径2+π⋅半径×斜高\pi \cdot \text{半径}^2 + \pi \cdot \text{半径} \times \text{斜高}
概念 29.5.3 · 圆锥的展开

圆锥的侧面也可以展开成一个扇形。圆锥底面的周长等于扇形的弧长,圆锥的斜高等于扇形的半径。

所以扇形的圆心角是 2πr2πs×360∘=rs×360∘\dfrac{2\pi r}{2\pi s} \times 360^\circ = \dfrac{r}{s} \times 360^\circ。

定理 29.6.1 · 球的体积和表面积
球的体积=43πr3\text{球的体积} = \frac{4}{3}\pi r^3
球的表面积=4πr2\text{球的表面积} = 4\pi r^2