🔢 小学数学四年级上思维拓展优化合理安排烙饼问题统筹方法

数学广角:优化(沏茶 / 烙饼问题)

客人来了要沏茶,怎样安排洗水壶、烧水、找茶叶最省时间?三张饼两个锅位怎样烙最快?这一讲我们学习"统筹优化"的思想,通过同时做、交替做,把时间安排得最合理。

难度:★★★★★

知识背景

💡知识背景 · 从一个真实的问题说起

周末家里来了客人,妈妈让小明沏茶:洗水壶 1 分钟、烧水 8 分钟、洗茶杯 2 分钟、找茶叶 1 分钟、沏茶 1 分钟。一件一件做要 13 分钟,可小明只用了 10 分钟就把茶端上来了,他是怎么办到的?

秘密就是:烧水的同时去洗茶杯、找茶叶——能同时做的事情同时做。

这种"合理安排、节省时间"的学问叫做统筹方法,是我国数学家华罗庚爷爷大力推广的。这一讲,我们通过沏茶问题和烙饼问题,体会优化的数学思想。

知识讲解

沏茶问题:能同时做的事同时做

安排事情分三步:

  1. 列出所有要做的事情和各自需要的时间;
  2. 分清先后顺序:哪些事必须先做(如先洗水壶才能烧水),哪些事可以在"等待时间"里做;
  3. 把能同时进行的事情安排在一起,总时间就缩短了。

沏茶问题:先洗水壶(1 分钟),再烧水(8 分钟),烧水的同时洗茶杯、找茶叶(用去 3 分钟,但不另占时间),水开后沏茶(1 分钟)。

1+8+1=10(分钟)1 + 8 + 1 = 10 \text{(分钟)}

🔑

省时间的关键:找到"等待时间"(如烧水、炖汤),把其他事情塞进去同时做。必须依次做的事按顺序排,能同时做的事重叠排。

烙饼问题:别让锅"空着"

一口锅每次最多烙 2 张饼,每面要烙 3 分钟,每张饼要烙正反两面。

  • 烙 2 张:两张一起烙,正面 3 分钟 + 反面 3 分钟 = 6 分钟;
  • 烙 3 张:如果先烙 2 张再烙 1 张要 12 分钟,锅里出现了"空位"。最优方法是交替烙
    1. 第 1 次:烙 1 号正面、2 号正面(3 分钟);
    2. 第 2 次:烙 1 号反面、3 号正面(3 分钟),2 号先取出;
    3. 第 3 次:烙 2 号反面、3 号反面(3 分钟)。

3×3=9(分钟)3 \times 3 = 9 \text{(分钟)}

🔑

烙饼问题的最优策略是让锅每次都放满、不空位。张数是双数就 2 张 2 张地烙;张数是单数就先 2 张 2 张烙,最后 3 张用"交替法"烙。

烙饼时间的规律

每次最多烙 2 张、每面 3 分钟时,烙 nn 张饼(nn 不小于 2)的最少时间:

最少时间=3×n\text{最少时间} = 3 \times n

因为 nn 张饼共有 2n2n 个面,每次最多烙 2 个面,至少要烙 nn 次,每次 3 分钟。注意烙 1 张饼时例外,需要 6 分钟。

经典例题

沏茶问题

小华帮客人沏茶:洗水壶 2 分钟、接水 1 分钟、烧水 10 分钟、洗茶杯 3 分钟、找茶叶 2 分钟、沏茶 1 分钟。最少需要多少分钟?

✏️ 点击查看解答
  1. 必须依次做:洗水壶(2 分钟)→ 接水(1 分钟)→ 烧水(10 分钟)→ 沏茶(1 分钟)。
  2. 洗茶杯 3 分钟和找茶叶 2 分钟共 5 分钟,可以安排在烧水的 10 分钟里同时做,不另花时间。
  3. 最少时间:2+1+10+1=142 + 1 + 10 + 1 = 14(分钟)。
  4. 答:最少需要 14 分钟。
烙 3 张饼

一口平底锅每次最多烙 2 张饼,两面都要烙,每面 4 分钟。烙 3 张饼最少要多少分钟?

✏️ 点击查看解答
  1. 用交替法:第 1 次烙 1 号正面、2 号正面(4 分钟)。
  2. 第 2 次烙 1 号反面、3 号正面(4 分钟),取出烙好的 1 号。
  3. 第 3 次烙 2 号反面、3 号反面(4 分钟)。
  4. 4×3=124 \times 3 = 12 分钟,锅始终没有空位。答:最少 12 分钟。
烙多张饼找规律

还是这口锅(每次最多 2 张,每面 3 分钟),烙 7 张饼最少要多少分钟?

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  1. 7 是单数,拆成 2+2+32 + 2 + 3:前 4 张两两烙,每 2 张 6 分钟,共 12 分钟。
  2. 剩下 3 张用交替法:3×3=93 \times 3 = 9(分钟)。
  3. 合计:12+9=2112 + 9 = 21(分钟)。也可用公式验证:3×7=213 \times 7 = 21(分钟)。
  4. 答:最少需要 21 分钟。

难点与易错点

⚠️难点 · 易错点
  1. 把所有时间直接相加:没有利用"等待时间",忘了能同时做的事同时做。
  2. 该有的顺序被打乱:必须先洗水壶再烧水,先后关系不能为了省时间乱来。
  3. 烙 3 张饼用"2+1"法:先 2 张再 1 张会让锅空一半,12 分钟不是最优,交替法只要 9 分钟。
  4. 套公式忘了特例:烙 1 张饼需要正反 2 面依次烙,是 6 分钟,不能用 3×1=33 \times 1 = 3
  5. 同时做的事情不合理:一个人不能同时"扫地"和"擦桌子",只有像烧水这种"机器自己干"的等待时间才能安排别的事。

生活中的应用

🌏生活中的应用

生活应用题 1 · 龙井茶待客

外婆家在龙井村,来客人时要:洗茶壶 1 分钟、烧水 9 分钟、洗茶杯 2 分钟、取龙井茶 1 分钟、泡茶 1 分钟。最少几分钟能请客人喝上茶?

分步解:

  1. 依次做:洗茶壶 → 烧水 → 泡茶。
  2. 烧水的 9 分钟里,同时洗茶杯、取茶叶(共 3 分钟,不另占时间)。
  3. 最少时间:1+9+1=111 + 9 + 1 = 11(分钟)。答:11 分钟。

生活应用题 2 · 早餐煎饼

妈妈用平底锅煎鸡蛋饼,每次最多煎 2 张,每面 2 分钟。全家要吃 5 张饼,最少要几分钟?

分步解:

  1. 5 张拆成 2+32 + 3:先 2 张一起煎,2×2=42 \times 2 = 4(分钟)。
  2. 剩下 3 张用交替法:2×3=62 \times 3 = 6(分钟)。
  3. 合计 4+6=104 + 6 = 10 分钟,与公式 2×5=102 \times 5 = 10 一致。答:最少 10 分钟。

生活应用题 3 · 出发去西溪湿地前的准备

周日全家去西溪湿地,出发前要:用洗衣机洗衣服 30 分钟、整理背包 8 分钟、准备零食 10 分钟、给水壶灌水 2 分钟。最少多少分钟能出发?

分步解:

  1. 洗衣机洗衣服是"机器自己干",30 分钟是等待时间。
  2. 在这 30 分钟里依次整理背包、准备零食、灌水,共 8+10+2=208 + 10 + 2 = 20 分钟,能全部塞进去。
  3. 答:最少 30 分钟就能出发。

考点

🎯考点提示
  • 沏茶问题:区分"必须依次做"与"可以同时做",计算最少时间
  • 烙饼问题:3 张饼的交替烙法(核心考点)
  • nn 张饼的最少时间规律:每面时间 × 张数(1 张除外)
  • 设计合理的做事方案并说明理由
  • 统筹优化思想在生活中的运用

视频讲解

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