Læreplankoblet

Tre på rad i ein boks

Aktivitet

Tenk dykk ein kubisk boks som er sett saman av  27 einhetskuberEin einingskube er ein kube (til dømes ein terning) der alle sider er 1 eining lang. Volum av ein 3 dimensjonal einingskube er 1, og totalt overflateareal er 6 kvadrat. Begripen einingskube er også brukt om "kubar" i n-dimensjonale rom., det vil seie 3 x 3 x 3 einingskubar.

Tenk dykk vidare at de kan plassere kuler i alle einingskubene, også i den som ligg i midten.

 

Tre kuler plassert diagonalt i en gjennomsiktig boks.

 

På kor mange måtar kan de plassere tre kuler på rad?
Finn eigne løysingar før de ser på løysingane som kjem under.

Nedanfor kan de sjå fire ulike måtar å tenkje på.

Karolines metode

Tre på rad kan liggje

-          langs ein kant på kuben

-          gjennom midten av ei sideflate

-          gjennom einingskuben i midten av kuben

Kuben har 12 kantar, så det er 12 måtar å leggje tre på rad på langs ein kant.

Kuben har 6 sideflater, og det er 4 måtar å leggje tre på rad på gjennom midten av kvar sideflate, så det er i alt 24 måtar å leggje tre på rad på gjennom midten av ei sideflate.

Tre på rad gjennom midten av kuben:

-          frå eit hjørne til motståande hjørne: 4 moglege

-          frå midten av ein sidekant til midten av motståande sidekant: 6 moglege

-          frå midten av ei sideflate til midten av motståande sideflate: 3 moglege

Til saman blir det 12 + 24 + 4 + 6 + 3 = 49 moglege måtar å leggje tre på rad på.

Pauls metode

Tre på rad kan liggje anten diagonalt eller ikkje-diagonalt.

Ikkje-diagonalar:

-          9 radar frå framsida til baksida

-          9 radar frå høgre til venstre

-          9 radar frå toppen til botnen

Diagonalar:

I kvart lag er det 2 diagonalar med plass til tre kuler, så vi får

-          6 diagonalar frå framsida til baksida

-          6 diagonalar frå venstre til høgre

-          6 diagonalar frå toppen til botnen

Mellom hjørna:

Det er 4 rader frå eit hjørne til det motståande hjørnet.

I alt er det 27 + 18 + 4 = 49 måtar å leggje tre kuler på rad på.

Alises metode

Vi kan byrje i eitt av tre punkt:

-          i eit hjørne

-          i midten av ein sidekant

-          i midten av ei sideflate

Ein kube har 8 hjørne, 12 sidekantar og 6 sideflater.

Frå eit hjørne er det 7 andre hjørne å ende i, så det gir i alt 7 · 8 = 56 rader. Men to og to av dei er samanfallande, for det er same rad som byrjar frå kvar sin ende, så vi må halvere talet. Det er 28 ulike rader mellom to hjørne.

Frå midten av ein sidekant er det 3 andre midt- på-sidekant-punkt å leggje rada mot. Det er 12 sidekantar, så det blir 3 · 12 = 36 rader frå midt på ein sidekant til ein motståande. Men også her har vi talt dobbelt, så det er i alt 18 ulike rader frå midten av ein sidekant.

Frå midt på ei sideflate er det berre éin måte å leggje tre på rad på, så det er i alt 3 rader frå midt på ei sideflate til motståande sideflate.

Det er altså til saman 28 + 18 + 3 = 49 ulike måtar å leggje tre på rad på i kuben.

Karls metode

Tre på rad kan liggje i

-          kvart av dei horisontale planane

-          kvart av planane frå venstre til høgre

-          kvart av planane framanfrå og bakover

-          diagonalplanane

I eit plan er det 8 måtar å leggje tre på rad på. Kuben har 3 horisontale plan, så det gir 8 · 3 = 24 moglege måtar å leggje tre på rad på.

Det er 3 vertikale plan frå venstre til høgre, men her er det berre 5 nye måtar å leggje tre på rad på, sidan 3 av moglegheitene også ligg i dei horisontale planane. Det gir 5 · 3 = 15 moglege tre på rad.

I dei tre vertikale planane framanfrå og bakover er det berre 2 nye moglegheiter for tre på rad, nemleg langs diagonalane. Vi får 2 · 3 = 6 moglege tre på rad.

Det er to diagonalplan mellom hjørna i ein kube, og det er berre diagonalane i desse planane som ikkje er talt med frå før. Det gir 2 · 2 moglegheiter for tre på rad.

  • Studer og prøv å forstå kvar av dei fire måtane å tenkje på. Prøv å forklare med eigne ord.
  • Tenk dykk no ein 4 x 4 x 4-kube. Kor mange måtar kan de plassere 4 kuler på rad på i ein slik kube?
  • Bruk dei fire metodane til å utleie ein generell formel for kva kube som helst. Kontroller at alle metodane gir same formel.

Starthjelp

Det kan gjere det lettare å sjå problemet for seg viss de har ein kubisk boks å sjå på, til dømes Rubiks kube eller centikuber. Kanskje de har utstyr til å setje saman ein kube av 27 einingskubar?

Løysing

I ein 3 x 3 x 3-kube kan ein plassere tre kuler på rad på 49 ulike måtar.

I ein 4 x 4 x 4-kube kan ein plassere fire kuler på rad på 76 ulike måtar.

I ein n x n x n-kube kan ein plassere n kuler på rad på 3n2 + 6n + 4 ulike måtar

Lærarrettleiing

Kvifor arbeide med denne oppgåva?

Denne oppgåva gir elevane øving i å tenkje på og visualisere tredimensjonale figurar. Dessutan krev ho at dei finn eit system å arbeide ut frå. Viss ein berre tel tilfeldig, kan ein telje dobbelt eller oversjå nokre av radene, slik at det endar med feil svar. Berre ved å arbeide nøyaktig og systematisk kan elevane overtyde seg sjølv og andre om at dei har funne det rette talet på moglegheiter for tre på rad.

Denne oppgåva utfordrar elevane til å studere strukturen i problemet ved å prøve å forstå korleis andre har tenkt. Dette er ein viktig del av det å arbeide matematisk. Men la dei først arbeid litt med problemet utan å sjå desse døma, slik at dei får sett seg godt inn i kva problemet går ut på.

Det er nyttig å studere grundig og forstå fleire ulike måtar å løyse oppgåva på, og då vil elevane kunne innsjå verdien av å arbeide systematisk med eit problem.

Mogleg tilnærming

«Viss eg har eit 3 x 3-rutenett, kan eg leggje tre på rad på 8 ulike måtar. Eg lurer på kor mange moglege måtar som finst i ein tredimensjonal kube.

Biletet i oppgåva (og kopieringsoriginalen) kan brukast for å vise eit døme på tre på rad i ein kube. Kopieringsoriginalen til oppgåva finst her.

Gi elevane tid til å diskutere moglegheiter og svar med partnarane sine. Medan dei arbeider, kan du gå rundt i klassen og observere ulike tilnærmingar, og utfordre dei til å forklare korleis dei tenkjer. Etter ei stund kan de stoppe opp og dele løysingar, og kanskje skrive ulike metodar og forslag på tavla.

«Det kan ofte vere vanskeleg å vite om ein har funne det rette svaret i slike oppgåver, for det er mogleg å oversjå ei løysing eller å telje same løysing to gonger. De skal no få sjå fire ulike måtar å systematisere og løyse oppgåva på. Prøv å forstå kvar av metodane.»

Kopieringsoriginalar til dei fire måtane å løyse oppgåva på finst her.

 Del ut dei to arka med løysingar. Det er to metodar på kvart ark, så du kan velje om alle elevane skal få sjå alle fire metodane, eller om alle skal få berre eitt ark, slik at dei får sjå berre to metodar kvar.

«No kan de prøve å finne ut kor mange måtar de kan leggje fire på rad på i ein 4 x 4 x 4-kube. Bruk døma på metodar som de har sett, til hjelp.»

«Når de har de har brukt metodane på ein 4 x 4 x 4-kube, kan de prøve ut same problem med større kubar. Prøv så å finne eit uttrykk for kor mange rader med n kuler som kan plasserast i ein 10 x 10 x 10-kube.»

Samle klassen, og be dei forklare korleis dei tenkjer, når dei skal finne ut kor mange måtar dei kan plassere ti på rad på i ein 10 x 10 x 10-kube.

Arbeid til slutt i fellesskap med å bruke kvar av dei fire metodane til å utleie formelen for talet på måtar å plassere n kuler på i ein n x n x n-kube. Vis at alle løysingane er ekvivalente. Kontroller at løysingane på dei spesielle tilfella stemmer med den generelle løysinga.

Gode rettleiingsspørsmål

Korleis vil de systematisere teljinga av rader slik at de ikkje overser nokon?

Korleis kan de sjå om de har talt nokon radar to gonger?

Korleis kan de utvide Karolines (eller Pauls eller Alises eller Karls) metode til ein 4 x 4 x 4-kube?

Illustrasjonsfoto: Nikita Lachanovsky on Unsplash

Ressursen er utviklet av NRICH

10