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噢~2008環球城市數學秋季高級卷第五題
2009/12/10 18:04:27瀏覽526|回應3|推薦1

Q:

在無窮數列{An},A0 = 0中,對於n ≥1,若n的最大奇因數除以4餘數為1,則 An= (An-1)+1;若n 的最大奇因數除以4 餘數為3,則An=(An-1)-1。此數列的首幾項為:0、1、2、1、2、3、2、1、2、3、4、3、2、3、2、1、…。

試證在此數列中,每一個正整數將出現無窮多次。

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噢噢還記得我那次寫這題寫了好多好多....

大概是方向走錯了XDDDD

不過真的滿難的呵呵呵,環球的高級卷都挺有水準的

但是還是有人在短時間內算完然後分數還是最高...囧(那是數奧的選手= =)

( 知識學習科學百科 )
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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=ivan5chess&aid=3576088

 回應文章

顏嘉佑
我已經解出來了!
2009/12/28 07:33

天使與魔鬼

http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/49/pdf/080409.pdf

都都(ivan5chess) 於 2009-12-30 18:09 回覆:

嗯嗯大概看了一下

很厲害!!!!

繼續加油!



2009/12/15 00:21

此題確實不容易,如果在考場上的限制時間內想解出來應該有點難度,當然數奧選手都有經過訓練,可以較快找到切入點,解出機率當然高些(尤其是大陸選手).

我的解法有點長,簡述如下:

此數列前四項可直接解出為a(1)=1,a(2)=2,a(3)=1,a(4)=2,接著證明引理:若n=2^m,則a(n)=2,for all m為正整數.

考察n=2,3,4,可以看出a(2)=a(4)=2,接著觀察n=4~8:首先確定4~8間有偶數個奇數,所以連續奇數若有偶數個,則其最大正奇因數都恰為本身,且被4除必定恰為餘1,3,1,3,...交互出現,既然有偶數個連續奇數,則+1,-1剛好個數一樣多,即不影響a(8)的函數值,再觀察偶數項4,6,8,將之除以2後必為2,3,4,而由a(2)=2,a(4)=2,確定由n=2~4函數值不影響,即a(8)必等於a(4),所以a(8)=2,同理下個區間內由n=8~16時,連續奇數亦為偶數個,也不影響a(16)的函數值(其實2^m~2^(m+1)內連續奇數皆恰為偶數個,只要m大於1),僅需觀察8~16間的連續偶數8,10,12,14,16,將之除以2後得出的數剛好為前一區間4,5,6,7,8,再由a(4)=a(8)確定不影響a(8)的函數值,故a(16)亦等於a(8)等於2,再繼續此步驟可得出引理.

利用該引理確定2可出現無限多次,再由此引理就可證出每個正整數皆出現無限多次了!!

首先說明1出現無限多次:因為2^m之最大正奇因數必為1,故必為前項多1,可見當n=2^m-1時,a(n)=1,如:a(1)=1,a(3)=1,a(7)=1,a(15)=1,a(31)=1,...有無限多個.

而在n=2^m+1(m>1)時,此數必為奇數,最大正奇因數必為自身,而2^m+1=1(mod 4),故必為前項多1,故a(n)=3,如:a(5)=3,a(9)=3,a(17)=3,a(33)=3,...有無限多個.

在n=2^m+2(m>2)時,a(n)=4,因為2^m+2=2(2^(m-1)+1),最大正奇因數必為2^(m-1)+1,被4除必餘1,故必為前項多1,而前項均為3,所以a(n)=4,如:a(10)=4,a(18)=4,a(34)=4,...有無限多個.

接著考察構造函數值5的方法:取n=8,9,10,函數值為2,3,4,將n放大2倍,得出5個連續項為16,17,18,19,20(之所以5個是因為8~10恰有2個間隔,等同於放入2個連續奇數),奇數恰有2項故不影響函數值,而16,18,20將之除以2後即為一開始之8,9,10,由原本a(10)=4,a(8)=2知函數值多2,故a(20)=a(16)+2=4,而下一項一定就會出現5了,即a(21)=5(因為2^m的下一個奇數必被4除餘1,故連續奇數被4除必為餘1,3,1,3,1,3,...交互出現),故構造函數值5的方法即為:取n=2^m開始連續三項,放大2倍後的第6項就是了,如:取n=16,17,18,放大2倍後為n=32,33,34,35,36,利用前述方法a(37)即為5,如此証出5有無限多個.

而構造函數值6的方法稍有不同:取n=16,17,18,19,20,21(注意間隔有奇數個),放大2倍後得出n=32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,利用a(32)=2,又連續奇數有奇數個,故有+1的效果,再將偶數32,34,36,38,40,42除以2回到16,17,18,19,20,21,由a(21)=5,a(16)=2,故a(21)=a(16)+3,故可看出a(42)=a(32)+1+3=6,所以這種取法必可造出6,如:取n=32,33,34,35,36,37(即由2的次方取到出現函數值5的項),放大2倍後必有a(74)=6,如此確定6有無限多個.

接著7的構造法與5相同,8的構造法與6相同,以此類推,此題得証.

此題真是有點難,我想這個解法應該是沒錯了,你那邊有解答嗎?詳解是怎麼証的啊??

都都(ivan5chess) 於 2009-12-15 22:36 回覆:

我記得我當初寫這題時,整個解釋+證明出來大概寫了3張A4大寫吧(還是四張= =??,不過我的字寫得滿大的啦)

還好後來有拿到全部的分數....

詳解的話我沒有耶,網路上也找不到,不過討論區有看到有人幫他拿來當科展

發現a(n)的一般項找法!!!(和二進位有關係)

彬哥可以試試看XD

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我的做法比較有點像下面這位的做法(這是討論區某位的回答),不過我的沒用道角谷猜想XD

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角谷猜想中,對任一數經3n+1運算和偶運算後,求其最大奇因數,重覆操作結果,最後都將降至1
設數列{Pn},P1=1,Pn=4*Pn-1+1,則{Pn}=(1,5,21,85,341,......}
另一數列{Qn},Qn=2Pn,則{Qn}={2,10,42,170,682,......}
我們可以觀察到,上述數列{Pn}和{Qn}僅一次3n+1運算和多次偶變換,可直接降至1,
而對於n=2^k,單以偶變換即可得到奇因數1,
當n=2^k-1,常常會運算至較大的奇數,且需經過較多次的運算最後才能降至1
基於上述理解,對於本題,直覺上由n=2^k,2^k-1,以及{Pn}及{Qn}切入發現:
n=(1,5,21,85,341,......)時an=(1,3,5,7,9,.....)
n={2,10,42,170,682,......)時an=(2,4,6,8,10,......)
n=2^k時,an=2
n=2^k-1時an=1,n=2^k+1時an=3
1.
證明:當n=2^k,k > =1時,an=2,an-1=1,an+1=3
對應數列{an},設一數列{bn},使得bn=an-an-1,此數列的
首幾項為:1、1、-1、1、1、-1、-1、1、1、1、-1、-1、1、-1、-1、…。
其前n項中奇數項總和設為S1(n),偶數項總和設為S2(n),前n項總和設為S(n)
則S(n)=S1(n)+S2(n),據此可求an=ao+S(n)
設n=2^k,將所有奇數分成4p+1和4p+3型數字
其中2^(k-1)個奇數中4p+1型和4p+3型總數各佔2^(k-2)個,故S1(2^k)=0
而偶數項2*1,2*2,......2*2^(k-1)之最大奇因數分別等於1,2,3,.....2^(k-1)數列之最大奇因數
因此,S2(2^k)=S(2^(k-1)),故S(2^k)=0+S2(2^k)=S(2^k-1),
由此可得S(2^k)=S(2^(k-1))=S(2^(k-2))=....=S2=S1=2

故n=2^k時,an=0+2=2,此時n-1=2^k-1,n+1=2^k+1分別屬於4p+3和4p+1型奇數,
因此an-1=1,an+1=3

2.
同上,當k > =1,n=2^(k+2)+2^k時,將{bn}分成二段,
前半段1~2^(k+2)及後半段2^(k+2)+1~2^(k+2)+2^k,已知前半段總和S(2^(k+2))=2
後半段4*(2^k)+1~4*(2^k)+2^k之最大奇因數等同於1~2^k數列之最大奇因數,
故後半段總和=S(2^k),亦即n=2^(k+2)+2^k時S(n)=S(2^(k+2))+S(2^k)=2+2=4
同理n=2^k+2^(k+2)+2^(k+4)+.....+2^(k+2(p-1))時,S(n)=2p
由上可知,當2^(k-1) < n < 2^k
若k為偶數時,則可找到n=2+2^3+2^5+....+2^(k-1)時an=k
若k為奇數,則可找到n=1+2^2+2^4+....+2^(k-1)時an=k
因此,在2^(k-1)~2^k中,必存在第n項,使得an=k

3.
若2^(k-1) < n < 2^k-1 < 2^k且an=k,則自第n項起至第2^k-1項時an由k降至1
其間變化經+1或-1,則當中所出現的an值必包含1~k所有數字
亦即在2^(k-1) < n < 2^k區段出現的an值所成集合必為{1,2,3....,k}
由此可知在無窮數列{an}中所有無窮區段中,將陸續出現所有正整數,且一旦出現,
亦將於接下來的每個無窮區段中不斷地重覆出現

都都(ivan5chess) 於 2009-12-15 22:40 回覆:

噢噢對了

環球的話初級卷是考4小時,高級卷是考5小時

初級卷4小時大概滿夠用的(至少我考兩次經驗,感覺都還夠)

高級卷就真的很難了QQ

分數是採最高分的三題總合,評分分得滿細的,所以很多步驟常不能說以此類推之類的帶過QQ,比較簡單的題目配分較少,難的配分重。


學妹
都都好
2009/12/10 19:09

那你以前有去參加過這個數學比賽嗎?

那是在哪裡比阿?