Missing Card


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题目

Yola和Zela发明了一个巧妙的纸牌魔术。当Yola离开房间时,观众从一副桥牌中抽出五张牌并交给Zela。Zela仔细查看后,抽出一张牌,然后叫Yola进来。Yola接过剩下的四张牌,并正确猜出了被抽出的那张牌。

他们是怎么做到的?一旦你弄明白了这个魔术的原理,计算一下他们可以使用的最大牌堆的大小,并且仍然能够可靠地完成这个魔术。

分析

这个魔术的关键分两层:先解决普通\(52\)张桥牌的情形,再看最大牌堆能有多大。

先说标准桥牌。根据抽屉原理,任意\(5\)张牌里至少有两张同花色,因为一共只有\(4\)种花色。于是Zela总能从这\(5\)张牌里找出两张同花色的牌。

她把其中一张藏起来,另一张放在最上面。这样Yola一看到最上面的牌,就已经知道被藏起来的牌和它同花色。

接下来只剩下点数信息要传递。把点数按循环顺序排成

\[ A,2,3,\ldots,10,J,Q,K。\]

对于同花色的两张牌,沿着这个循环从一张走到另一张,顺时针距离一定是\(1\)\(12\)中的某个数。设这两张同花色的牌分别是\(x\)\(y\),那么从\(x\)走到\(y\)的距离与从\(y\)走到\(x\)的距离相加等于\(13\),所以其中必有一个距离不超过\(6\)。因此Zela总可以选定“留下来的那张”和“藏起来的那张”,使得从留下来的点数加上\(1\)\(6\)中的某个数,就恰好得到被藏起来的点数。

现在看另外\(3\)张牌。它们有\(3!=6\)种不同的摆放顺序,正好可以编码数字\(1,2,3,4,5,6\)。例如先约定:若把这\(3\)张牌按某个固定总顺序记成\(A,B,C\),那么

\[ ABC\mapsto1, ACB\mapsto2, BAC\mapsto3, BCA\mapsto4, CAB\mapsto5, CBA\mapsto6。\]

这样一来,Zela把最上面那张同花色的牌先放好,再用其余\(3\)张牌的顺序告诉Yola应当“加几”。Yola看见最上面那张牌,就知道花色;再读出后面\(3\)张牌对应的数字\(1\)\(6\),把这个数字加到最上面那张牌的点数上,按\(13\)个点数循环绕回去,就能唯一确定被藏起来的那张牌。

例如,若最上面是黑桃Q,而后面三张牌的顺序编码为\(5\),那么Yola就从\(Q\)往后数\(5\)步:\(K,A,2,3,4\),所以缺失的是黑桃\(4\)

因此,标准的\(52\)张桥牌版本确实可以完成这个魔术。

再看最大牌堆。若牌堆共有\(n\)张牌,那么可能出现的\(5\)张牌集合有\(\binom{n}{5}\)种。另一方面,观众最终看到的是\(4\)张按顺序摆放的牌,因此不同“展示结果”的总数最多是

\[ 4!\binom{n}{4}。\]

要让Yola总能唯一反推出缺失的那张牌,就必须有

\[ \binom{n}{5}\leq4!\binom{n}{4}。\]

化简得

\[ \frac{n-4}{5}\leq24,\]

也就是

\[ n\leq124。\]

这个上界事实上可以达到,所以能够可靠表演这个魔术的最大牌堆大小是

\[ \boxed{124}。\]

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