根据端点颜色分布,端点着色方案分为以下四种情况:
- **情况1:四个端点颜色相同**
此类端点着色方案有3种(全红、全绿或全蓝)。
下面计算有效的棱和面着色方案数:
对于端点着色之后,设端点的颜色为a,另外两种颜色分别为b,c。
①若四个面全是a色,则四条边的端点、相邻面全是a色,所以它们可以在b,c两种颜色中任意选择,选法数为2^6。
②若四个面有一个是a色,其余3个全是b色,则四个面的涂色方法数为C(4,1)。此时6条边都至少与一个b色面相邻,又因为它们的端点都是a色,所以它们只能选c色,选法数为1,此类选法总数为C(4,1)×1。
③同理,有一个是a色,其余3个全是c色的选法数也是C(4,1)×1。
④若四个面有两个是a色,2个是b色,则四个面的涂色方法数为C(4,2)。此时两个b色面共有5条边(有一条公共边),这5条边只能是c色。而剩余一条边可以是b色,也可以是c色,有2种选择。所以此类选法总数为C(4,2)×2
⑤同理,四个面有两个是a色,2个是b色的选法数也是C(4,2)×2。
⑥若四个面有3个是a色,1个是b色,则四个面的涂色方法数为C(4,1)。b色面的三条边只能是c色,另外三条边都可以在b,c两种颜色中任选,选法数为2^3。所以此类选法总数为C(4,1)×2^3。
⑦同理,四个面有3个是a色,1个是c色的选法总数也为C(4,1)×2^3。
⑧若四个面全是b色,则四条边只能是c色,此时的选法数为1。
⑨同理,四个面全是c色的选法数也是1。
⑩若四个面的颜色包含b,c两种颜色,则对于b色面和c色面的公共边,它有两个a色端点、一个b色相邻面、一个c色相邻面,所以无论给它涂任何颜色都不符合要求。所以此类情况不存在。
综上,有效的边和面着色方案数为2^6+(C(4,1)×1+C(4,2)×2+C(4,1)×2^3+1)×2=162。
此类总计:3 ×162 = 486。
- **情况2:三个端点颜色相同,一个端点颜色不同**
此类端点着色方案有C(4,1)×A(3,2)=24种。
对于端点着色之后,设三个颜色相同的端点的颜色为b,另一个端点的颜色为a。
下面计算有效的棱和面着色方案数:
取a色端点为四面体的顶点,则三条侧棱的两个端点一个为a色,一个为b色,所以它们只能为c色。而底边的两个端点为b色,所以它们可以涂a色或c色。
①若底边全是c色,即六条边全为c色,则每个面都可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2^4。
②若底边有1个a色,两个c色,则这三条边的涂色方法数为C(3,1)。此时a色底边所在的两个面都含有a色边和c色边,故这两个面只能涂b色。而其余两个面的三边均为c色,因此它们可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2^2。所以涂法总数为C(3,1)×2^2。
③若底边有2个a色,一个c色,则这三条边的涂色方法数为C(3,1)。此时两个a色底边所在的三个面都含有a色边和c色边,故这三个面只能涂b色。而剩余一个面的三边均为c色,因此它们可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2。所以涂法总数为C(3,1)×2。
④若底边全是a色,则三个侧面都含有a色边和c色边,故侧面只能涂b色,而底面的三边均为c色,因此它可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2。所以此类涂法总数2。
综上,有效的边和面着色方案数为2^4+C(3,1)×2^2+C(3,1)×2+2=36。
此类总计:24×36 = 864。
- **情况3:两对端点,每对颜色相同,且两对颜色不同**
此类端点着色方案有C(4,2)A(3,2)=18种。
对于端点着色之后,不妨设A,B端点颜色相同,颜色为a;C,D端点颜色相同,颜色为b。
下面计算有效的棱和面着色方案数:
AC、AD、BC、BD四条边的端点均为一a一b,所以它们的颜色都只能为c。
而AB边的端点均为a,所以它可以涂b,c两种颜色,同理,CD边可以涂a,c两种颜色。
①若AB、CD都涂c。即六条边全为c色,则每个面都可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2^4。
②若AB涂b,CD涂c,则AB所在的两个面都含有b色边和c色边,故这两个面只能涂a色。而其余两个面的三边均为c色,因此它们可以涂a,b两种颜色,涂色方法数为2^2。所以此类涂法总数为2^2。
③同理,若AB涂c,CD涂a,涂法总数也为2^2。
④若若AB涂b,CD涂a,则AB所在的两个面都含有b色边和c色边,故这两个面只能涂a色;CD所在的两个面都含有a色边和c色边,故这两个面只能涂b色。所以涂法总数为1。
综上,有效的边和面着色方案数为2^4+2^2+2^2+1=25。
此类总计:18 × 25 = 450。
- **情况4:两个端点颜色相同,另两个端点颜色各不相同(且与第一对颜色均不同)**
不妨设A,B涂a色,C涂b色,D涂c色,
则AC边只能涂c色,AD边只能涂b色,CD边只能涂a色,
所以面ACD的三边颜色各不相同,所以无论给这个面涂任何颜色都不符合要求。所以此类情况不存在。
将所有情况的总数相加:
486 + 864 + 450 + 0 = 1800。