Question

一个超级难的数学问题，据说没几个人可以回答出来

是这样的一个问题，有12个相同大小的球，其中有一个是坏球，它的质量和其他球的质量不相等。问题是，给你一架无砝码的天平，如何通过3次测量，找出此球，另外，请注意，并且判断它的质量是比其它的球重？轻？

请注意要求，判断出它到底是重还是轻，没判断出来，不算哦。

我暂时把它定为一个数学问题，涉及到计算机中算法部分
这个问题可以独立思考出来的人基本上智商都很厉害的，当然我不是说没思考出来就怎么怎么样，因为一道题根本不能够反映出什么问题。
第一步简单的将球均分成两份的人，是根本就没摸到问题的边边，将问题简单化了

不看别人的提示，先自己想想再说咯

Answer 1

一·首先提出称量的数学模型:
把一次称量看成一个一次代数式,同样问题就可以描述成简单的矩阵方程求解问题.怎么把一次称量表示成一个代数式呢?
1),简化描述小球的重量(状态)----正常球重量设为0,设异常球比正常球重为1或轻为-1,异常球未知轻重时用x代表(只取1或-1).用列向量j表示所有球的重量状态.
2),简化描述称量的左右(放法)-----把某号球放左边设为1,右边设为-1,不放上去设为0.用行向量i表示某次称量所有球的左右状态.
3),描述称量结果:
由1),2)已经可以确定一个称量式
∑各球的重量*放法=天平称量结果.--------(1)式
如果我们用向量j,i分别表示球的重量状态和球的左右放法情况(j为行向量,i为列向量),对于(1)式,可以改写为
j*i=a(常数a为单次称量结果) -------------(2)式
例如有1-6号共6个小球,其中4号为较重球,拿3号5号放左边,1号4号放右边进行称量,式子为:
(-1)*0+0*0+1*0+(-1)*1+1*0+0*0=-1,
从-1的意义可以知道它表示结果的左边较轻;
同样可以得到0表示平衡,1表示左边较重.
4),方程用来描述称量过程,还需附加一个重要的条件:代表放左边的1和右边的-1个数相等,也就是
∑各球的放法=0-------------------------(3)式
这样就解决了称量的数学表达问题.

对于12个小球的3次称量,分别用12维行向量j1,j2,j3表示,由j1j2j3便构成了3×12的称量矩阵J；对于某一可能情况i,对应的3次称量结果组成的3维列向量b,得
J*i=b

二·称球问题的数学建模

问题的等价：
设J为3×12的矩阵，满足每行各项之和为0。i为12维列向量,i的某一项为1或－1，其他项都是0，即i是12×24的分块矩阵M=(E,-E)的任一列。而3×27的矩阵C为由27个互不相同的3维列向量构成，它的元素只能是1,0,-1.
由问题的意义可知b=J*i必定是C的某一列向量。而对于任意的i,有由J*i=b确定的b互不相同.
即
J*M=J*(E,-E)=(B,-B)=X -----（设X为3×24的矩阵）
因为X为24列共12对互偶的列向量，而C为27列，可知从C除去的3列为(0,0,0)和1对任意的互偶的列向量，这里取除(1,1,1)和(-1,-1,-1).
由上式得J*E=B推出J=B,X=(J,-J)。因此把从27个3维列向量中去除(0,0,0),(1,1,1),(-1,-1,-1)然后分为互偶的两组(对应取反)
[ 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1];
[ 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1,-1,-1,-1];
[ 1, 0, 1,-1, 0, 1,-1, 0,-1, 0, 1,-1].

[ 0, 0, 0, 0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1];
[ 0,-1,-1,-1, 0, 0, 0,-1,-1, 1, 1, 1];
[-1, 0,-1, 1, 0,-1, 1, 0, 1, 0,-1, 1].
现在通过上下对调2列令各行的各项和为0！！即可得到J.我的方法是从右到左间隔着进行上下对调，然后再把2排和3排进行上下对调，刚好所有行的和为0。得
称量矩阵J=
[0, 0, 0, 0, 1,-1, 1,-1, 1,-1, 1,-1];
[0, 1,-1,-1, 0, 0, 0,-1, 1, 1,-1, 1];
[1, 0,-1, 1, 0,-1,-1, 0,-1, 0, 1, 1].

相应三次称量两边的放法：
左边5，7，9，11 ：右边6，8，10，12；
左边2，9，10，12：右边3，4，8，11；
左边1，4，11，12：右边3，6，7，9 。
*********** ********** ************ **********
1号球，且重 －平、平、左 1号球，且轻 －平、平、右
2号球，且重 －平、左、平 2号球，且轻 －平、右、平
3号球，且重 －平、右、右 3号球，且轻 －平、左、左
4号球，且重 －平、右、左 4号球，且轻 －平、左、右
5号球，且重 －左、平、平 5号球，且轻 －右、平、平
6号球，且重 －右、平、右 6号球，且轻 －左、平、左

7号球，且重 －左、平、右 7号球，且轻 －右、平、左
8号球，且重 －右、右、平 8号球，且轻 －左、左、平
9号球，且重 －左、左、右 9号球，且轻 －右、右、左
10号球，且重－右、左、平 10号球，且轻－左、右、平
11号球，且重－左、右、左 11号球，且轻－右、左、平
12号球，且重－右、左、左 12号球，且轻－左、右、右

三·问题延伸
1，13个球称3次的问题：
从上面的解答中被除去的3个向量为(0,0,0)(1,1,1)(-1,-1,-1).而要能判断第13个球，必须加入1对对偶向量，如果加入的是(1,1,1)(-1,-1,-1),则
[ 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1，1];
[ 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1,-1,-1,-1，1];
[ 1, 0, 1,-1, 0, 1,-1, 0,-1, 0, 1,-1，1].

[ 0, 0, 0, 0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1];
[ 0,-1,-1,-1, 0, 0, 0,-1,-1, 1, 1, 1,-1];
[-1, 0,-1, 1, 0,-1, 1, 0, 1, 0,-1, 1,-1].
第一行的非0个数为奇数，不论怎么调也无法使行和为0。故加入的行只能为自对偶列向量(0,0,0),结果是异球可判断是否是第13球时却无法检查轻重。也可见，13球称3次的问题和12球称3次的问题只是稍有不同，就如12个球问题把球分3组4个称，而13个球问题把球分4组(4,4,4,1),第13个球单独1组。

2，(3^N-3)/2个球称N次找出异球且确定轻重的通解：
第一步，先给出3个球称2次的一个称量矩阵J2
[ 0, 1,-1];
[-1, 0, 1].
第二步，设Kn=(3^N-3)/2个球称N次的称量矩阵为N行×Kn列的矩阵Jn,把(3^N/3-3)/2个球称N-1次的称量矩阵J<n-1>简写为J.再设N维列向量Xn,Yn,Zn分别为(0,1,1,...,1),(1,0,0,...,0),(1,-1,-1,...,-1).
第三步之1，在N-1行的矩阵J上面添加1行各项为0，成新的矩阵J'.
第三步之2，在N-1行的矩阵J上面,添加行向量t=(1,1,...,1,-1,-1,...,-1),成新的矩阵J".t的维(长)和J的列数一致，t的前面各项都是1，后面各项都是－1；t的长为偶数时，1个数和－1个数相等；t的长为奇数时，1个数比－1个数少1个；
第三步之3，在N-1行的矩阵-J上面,添加行向量t=(1,1,...,1,-1,-1,...,-1),成新的矩阵J"'.
第四步，当J的列数即t的长为奇数时，用分块矩阵表示矩阵Jn＝(J',J",J"',Xn,Yn,Zn);当J的列数即t的长为偶数时，用分块矩阵表示矩阵Jn＝(J',J",J"',Xn,-Yn,Zn);

此法可以速求出一个J3为
[ 0, 0, 0, 1,-1,-1, 1,-1,-1, 0, 1, 1];
[ 0, 1,-1, 0, 1,-1, 0,-1, 1, 1, 0,-1];
[-1, 0, 1, -1, 0, 1, 1, 0,-1, 1, 0,-1].
同样可以继续代入求出J4,J5的称量矩阵。

3，2类主要的推广：
第1类，有(3^n-3)/2个球，其中有一个异球，用天平称n次，找出该球并确定是较轻还是较重。
第2类， 有n个球，其中混入了m个另一种规格的球，但是不知道异球比标球重还是轻，称k次把他们分开并确定轻重？ 显然，上面的推广将球分为了两种，再推广为将球分为n种时求称法。
对于第一类推广，上面已经给出了梯推的通解式。而对于第二类推广，仅对于m=2时的几个简单情况有了初步的了解，如5个球称3次找出2个相同的异球，9个球称4次找出2个相同的异球，已经获得了推理逻辑方法上的解决，但是在矩阵方法上仍未理出头绪，16个球称5次找出2个相同的异球问题上普通的逻辑方法变得非常烦琐以至未知是否有解，希望有高手能继续用矩阵方法找出答案，最好能获得m=2时的递推式。

上面的通解法得到的J4=
[ 0,0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0,0,0, 0, 1,1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,1, 1, 1, 1, 1, 1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,-1, 1];
[ 0,0, 0, 1,-1,-1,1,-1,-1,0,1, 1, 0,0, 0, 1,-1,-1, 1,-1,-1, 0, 1, 1,0, 0, 0,-1, 1, 1,-1, 1, 1, 0,-1,-1,1, 0,-1];
[ 0,1,-1, 0, 1,-1,0,-1, 1,1,0,-1, 0,1,-1, 0, 1,-1, 0,-1, 1, 1, 0,-1,0,-1, 1, 0,-1, 1, 0, 1,-1,-1, 0, 1,1, 0,-1];
[-1,0, 1,-1, 0, 1,1, 0,-1,1,0,-1,-1,0, 1,-1, 0, 1, 1, 0,-1, 1, 0,-1,1, 0,-1, 1, 0,-1,-1, 0, 1,-1, 0, 1,1, 0,-1].

Answer 2

这是我两年前就回答过的问题.当时自己想的,现在将当时的原文复制如下.
将十二个球编号为1－12号。
将1－4号放在天平左边，5－8号放在右边。
有三种结果：
一.平衡。说明有问题的是9－12号。
把1－3放在左边，9－11放在右边。
有三种结果：
1.平衡。说明12号有问题。
把1号放在左边，12号放右边。
左重则12号轻了，右重则12号重了。不可能平衡。
2.左重。说明9－11中有一个球轻了。
把9号放在左边，10号放在右边。
左重则10号轻了，右重则9号轻了，平衡则11号轻了。
3.右重。说明9－11中有一个球重了。
把9号放在左边，10号放在右边。
左重则9号重了，右重则10号重了，平衡则11号重了。
二。左重。说明有问题的是1－8号。
把1，5－7放在左边，8－11放在右边。
有三种结果：
1.平衡。说明2－4中有一个球重了。
把2号放在左边，3号放在右边。
左重则2号重了，右重则3号重了，平衡则4号重了。
2.左重。说明1号重了，或者8号轻了。
1号放在左边，2号放在右边。
左重则1号重了，平衡则8号轻了。不可能右重。
3.右重。说明5－7号有一个球轻了。
把5号放在左边，6号放在右边。
左重则6号轻了，右重则5号轻了，平衡则7号轻了。
三。右重。说明有问题的是1－8号。
把1，5－7放在左边，8－11放在右边。
有三种结果：
1.平衡。说明2－4中有一个球轻了。
把2号放在左边，3号放在右边。
左重则3号轻了，右重则1号轻了，平衡则4号轻了。
2.右重。说明1号轻了，或者8号重了。
1号放在左边，2号放在右边。
左重则1号轻了，平衡则8号重了。不可能右重。
3.左重。说明5－7号有一球重了。
把5号放在左边，6号放在右边。
左重则5号重了，右重则6号重了，平衡则7号重了。

Answer 3

先编号，再分成3组
假设A组(1,2,34),B组(5,6,7,8),C组(9,10,11,12)
先把A和B放在两边称一次，有3种可能。

(1):(1,2,3,4)>(5,6,7,8)
说明次品在这里，不是1234重就是5678轻，9到12号是好的
再拿3,4,6,7号在一边，5,9,10,11号在另一边称一下。
(a)如果5,9,10,11>3,4,6,7，显然坏的是6或7且偏轻，把这两个称一下，哪个轻哪个就是坏的。
(b)如果5,9,10,11<3,4,6,7，或者34偏重，或者5偏轻，把34称一下，谁重谁就是坏的。相等5就是坏的。
(c)如果5,9,10,11=3,4,6,7，这些都是好的，所以12重或者8轻，把12称一下，谁重谁就是坏的。相等8就是坏的。

(2):(1,2,3,4)<(5,6,7,8)
说明次品在这里，不是1234轻就是5678重，9到12号是好的
再拿3,4,6,7号在一边，5,9,10,11号在另一边称一下。
a)如果5,9,10,11>3,4,6,7，或者34偏轻，或者5偏重，把34称一下，谁轻谁就是坏的。相等5就是坏的。
(b)如果5,9,10,11<3,4,6,7，显然坏的是6或7号且偏重，把这两个称一下，哪个重哪个就是坏的。
(c)如果5,9,10,11=3,4,6,7，这些都是好的，所以12轻或者8重，把12称一下，谁轻谁就是坏的。相等8就是坏的。

(3)(1,2,3,4)=(5,6,7,8)
坏的在9,10,11,12号
再拿9,10,11在一边，1,2,3在一边称一下
(a)如果9,10,11>1,2,3,则坏的在9,10,11中，且偏重。拿9和10称一下，谁重谁就是坏的。相等11就是坏的。
(b)如果9,10,11<1,2,3,则坏的在9,10,11中，且偏轻。拿9和10称一下，谁轻谁就是坏的。相等11就是坏的。
(c)如果9,10,11=1,2,3，说明12是坏的，拿12和其他任意1个球称一下，就知道他是轻是重了。

Answer 4

这个问题，看似简单，其实相当复杂，下面是抄来的答案：

把12个球编成1，2......12号，则可设计下面的称法：

左盘 *** 右盘

第一次 1，5，6，12 *** 2，3，7，11

第二次 2，4，6，10 *** 1，3，8，12

第三次 3，4，5，11 *** 1，2，9，10

每次都可能有平、左重、右重三种结果，搭配起来共有27种结果，但平、平、平的结果不会出现，因为总有一个球是不相等的。同样左、左、左，右、右、右的结果也不回出现，因为根据设计的称法，没有一个球是三次都在左边或右边的。剩下的24种结果就可以判断出哪种情况是哪一个球了。例如：如果结果是平、平、左或是平、平、右，就可判断出是9号球，因为第一次与第二次都没有9号球，唯独第三次有9号球，而第一次与第二次都是平的，只有第三次是失衡的，说明9号球的重量与其它的球不同。可依据此原理判断出其它的各种情况分别是哪个球。

有12个球，而坏球又可能比好球轻也可能比好球重，所以总共有12x2=24种可能，24可能结果如下表：
************ ********** ************ **********
* 可 能 * －* 结 果 * * 可 能 *－* 结 果 *
************ ********** ************ **********
1号球，且重 －左、右、右 1号球，且轻 －右、左、左
2号球，且重 －右、左、右 2号球，且轻 －左、右、左
3号球，且重 －右、右、左 3号球，且轻 －左、左、右
4号球，且重 －平、左、左 4号球，且轻 －平、右、右
5号球，且重 －左、平、左 5号球，且轻 －右、平、右
6号球，且重 －左、左、平 6号球，且轻 －右、右、平
7号球，且重 －右、平、平 7号球，且轻 －左、平、平
8号球，且重 －平、右、平 8号球，且轻 －平、左、平
9号球，且重 －平、平、右 9号球，且轻 －平、平、左
10号球，且重－平、左、右 10号球，且轻－平、右、左
11号球，且重－右、平、左 11号球，且轻－左、右、平
12号球，且重－左、右、平 12号球，且轻－左、右、平

上面的24种结果里面没有一个重复的，也可以把上面的结果反过来当成可能，也可唯一的推出那个球为坏球，证明此方法可行

Answer 5

把这十二个球分成三份。每份四个。任务二份称。。
可能有二种情况。一种是质量相等一种是质量不等。分别记为A。B我们先来说A。质量相等的情况
A。质量相等。那么在那个球在剩下的四个球中。在那四个中拿三个。和三个正常的球比。如果是一样重。刚是最后一个球了。和另外一个比下就知道结果了
如果不一样重，那就在那三个球中了，且知道那个二是重还是轻。任取二个比较就可以了
B质量不一样的时候。就在这八个球中了。