说明

(x,y)(x,y) 表示数对,gcd(x,y)\gcd(x,y) 表示最大公约数;N\mathbb{N} 表示自然数集(含 00)。

T1(25pts)

叙述并证明(数论)拉格朗日(Lagrange)定理。

叙述

nn 次多项式在模质数 pp 的意义下最多有 nn 个解。

证明略。

T2(25pts)

叙述并证明(数论)卢卡斯(Lucas)定理。

叙述

递归形式:对质数 pp 和正整数 n,mn,m,有 $C_n^m\equiv C_{[n/p]}^{[m/p]}C_{n\bmod p}^{m\bmod p}\pmod{p}$。

进制形式:对质数 pp 和正整数 n,mn,m,有 $C_n^m\equiv C_{n_{k-1}}^{m_{k-1}}C_{n_{k-1}}^{m_{k-1}}\cdots C_{n_0}^{m_0}\pmod{p}$。其中 ni,miZpn_i,m_i\in \mathbb{Z}_pn=i=0k1nipin=\sum\limits_{i=0}^{k-1}n_ip^imm 同理。

证明略。

T3(40pts)

对给定的正整数 x0,x1,k,lx_0,x_1,k,l,定义 xn=kgcd(xn1,xn2)+l(n2)x_n=k\gcd(x_{n-1},x_{n-2})+l(n\ge 2)。证明:{xn}\{x_n\} 是(混)周期数列。

思路

对于有限阶递归整数数列的(混)周期的证明,可以转而去证明一个等价条件:数列有界。

本题研究时可以发现 k,lk,l 互质的形式相对简单,k,lk,l 不互质时可以尝试变为互质情形。


证明(a3)

引理:若 {xn}\{x_n\} 有界,则 {xn}\{x_n\} 有周期。

引理的证明

n,xnM\forall n,x_n\le M,则 (xn,cn+1)(x_n,c_{n+1})M2M^2 种可能。

n=0,1,,M2n=0,1,\cdots,M^2,由抽屉原理,必有两个 m,n(0n<mM2)m,n(0\le n<m\le M^2) 使得 (xn,xn+1)=(xm.xm+1)(x_n,x_{n+1})=(x_m.x_{m+1})

此时 xn+k=xm+k(kN)x_{n+k}=x_{m+k}(k\in\mathbb{N}),因而 xx 是从 nn 开始的周期为 mnm-n 的数列。


不妨设 xn=kyn+l(lNx_n=ky_n+l(l\in \mathbb{N},因为可以从 x2x_2 算起,则有 yn+2=gcd(kyn+1+l,kyn+l)y_{n+2}=\gcd(ky_{n+1}+l,ky_n+l)xx 有界等价于 yy 有界。

gcd(k,l)=1\gcd(k,l)=1,则 $y_{n+2}=\gcd(ky_{n+1}+l,ky_n+l)=\gcd(k(y_{n+1}-y_n),ky_n+l)=\gcd(y_{n+1}-y_n,ky_n+l)\le|y_{n+1}-y_n|\le\max\{y_{n+1},y_n\}$,故 ynmax{y1,y0}y_n\le\max\{y_1,y_0\},即 yy 有界。

gcd(k,l)=d>1\gcd(k,l)=d>1,不妨设 yn=dzn,znZ+,nNy_n=dz_n,z_n\in\mathbb{Z}^+,n\in\mathbb{N},因为可以从 y2y_2 算起,则有 zn+2=gcd(kzn+1+l/d,kzn+l/d)z_{n+2}=\gcd(kz_{n+1}+l/d,kz_n+l/d)yy 有界等价于 zz 有界。

由于 gcd(k,l/d)l/d<l\gcd(k,l/d)\le l/d<l,反复操作必有 d=1d=1。故 xx 有界。

上述过程可以改写为对 ll 归纳。

T4(40pts)

给定正整数 kk,定义 f:Z+Z+f:\mathbb{Z}^+\to\mathbb{Z}^+,满足 $f(1)=1,f(n)=\operatorname{mex}\limits_{i=1}^{n-1}\{f(i),f(i)+ki\}$。其中 mexS\operatorname{mex} S 表示 SS 中未出现的最小正整数。

证明:对所有正整数 nn,有 f(f(n)+knn)=f(n)+kn1f(f(n)+kn-n)=f(n)+kn-1

思路

对于含有 mex\operatorname{mex} 定义的数列,可以考虑贝蒂(Beatty)定理的形式或者证明方式。


证明(a3, 纯代数)

设 $\alpha=\dfrac{\sqrt{k^2+4}+2-k}{2},\beta=\dfrac{\sqrt{k^2+4}+2+k}{2}$,则 βα=k,1/α+1/β=1\beta-\alpha=k,1/\alpha+1/\beta=1

由贝蒂(Beatty)定理,$[\alpha n]=\operatorname{mex}\limits_{i=1}^{n-1}\{[\alpha i],[\beta i]\}$,故可归纳证明 f(n)=[αn],f(n)+kn=[βn]f(n)=[\alpha n],f(n)+kn=[\beta n]

原命题即证 [α([βn]n)]=[βn]1[\alpha([\beta n]-n)]=[\beta n]-1

[βn]1α([βn]n)<[βn][\beta n]-1\le \alpha([\beta n]-n)<[\beta n]

αn1(α1)[βn]<αn\alpha n-1\le (\alpha-1)[\beta n]<\alpha n

$(\beta-1)(\alpha n-1)\le [\beta n]<(\beta -1)\alpha n$,

βn(β1)[βn]<βn\beta n-(\beta -1)\le [\beta n]<\beta n

β>2\beta>2β\beta 为无理数知显然成立。

T5(50pts)

已知 f:[0,1][0,1]f:[0,1]\to[0,1] 满足:

  1. f(0)=0,f(1)=1f(0)=0,f(1)=1
  2. 对所有满足 adbc=1|ad-bc|=1 的非负整数 ab0;cd0a\le b\ne 0;c\le d\ne 0,有 $2f(\dfrac{a+c}{b+d})=f(\dfrac{a}{b})+f(\dfrac{c}{d})$;
  3. ff 单调递增。

(1) 证明:xx 是有理数当且仅当 f(x)f(x) 是有理数,且其最简表示中分母为 22 的幂。

(2) 求 f(21)f(\sqrt{2}-1)

(1)

思路

条件 2 很容易让人想到 Stern–Brocot 树与 Farey 序列,有理数的 ff 显然分母是 2 的幂,由于(第 ii 层的所有有理数)的 ff 把最简形式的分母为 2i2^i 的有理数用完了,故无理数的 ff 不可能分母为 2i2^i


证明(a3)

先证对 $x=\dfrac{p}{q}, p,q\in\mathbb{N},p\le q,\gcd(p,q)=1$,有 f(x)f(x) 的分母为 22 的幂。

考虑对 p+qp+q 归纳。p+q=1,2(x=0,1)p+q=1,2(x=0,1) 平凡。

p+q>2p+q>2,考虑方程 a(qb)b(pa)=1a(q-b)-b(p-a)=1,即 aqbp=1aq-bp=1,显然其有 0a<p,0b<q0\le a<p,0\le b<q 的解,故存在非负整数 ab0;cd0a\le b\ne 0;c\le d\ne 0 满足 adbc=1|ad-bc|=1a+c=pa+c=pb+d=qb+d=q

由归纳假设,f(ab),f(cd)f(\dfrac{a}{b}),f(\dfrac{c}{d}) 的分母均为 22 的幂,故 $f(\dfrac{p}{q})=f(\dfrac{a+c}{b+d})=\dfrac{f(\dfrac{a}{b})+f(\dfrac{c}{d})}{2}$ 的分母也为 22 的幂。

再证对所有的 iNi\in\mathbb{N}0p2i0\le p\le 2^i,存在有理数 xx,使得 f(x)=p2if(x)=\dfrac{p}{2^i}。进而由 ff 单调递增,知 ff 是单射。

同时我们归纳:$f(\dfrac{a}{b})=\dfrac{p}{2^i},f(\dfrac{c}{d})=\dfrac{p+1}{2^i}$,则 adbc=1|ad-bc|=1

i=0i=0 平凡。

i>0i>0 时,不妨设 2p2\nmid p,$f(\dfrac{a}{b})=\dfrac{\frac{p-1}{2}}{2^{i-1}},f(\dfrac{c}{d})=\dfrac{\frac{p+1}{2}}{2^{i-1}}$,则 f(a+cb+d)=p2if(\dfrac{a+c}{b+d})=\dfrac{p}{2^i},且 a(b+d)b(a+c)=(a+c)d(b+d)c=adbc=1|a(b+d)-b(a+c)|=|(a+c)d-(b+d)c|=|ad-bc|=1

(2)

思路

由于有理数在实数中稠密,分母为 22 的幂的有理数也在实数中稠密,故单调性可以推出连续性。

考虑用有理数 xx 近似 21\sqrt{2}-1,为使 f(x)f(x) 有规律,可以想到用连分数近似(二次代数数的连分数有循环)。

事实上,也可也可以直接观察到 21\sqrt{2}-1 的 Farey 二进制为 LLRRLLRR……


解(a3)

答案为 25\dfrac{2}{5}

取 $x_0=0,y_0=1,x_{n+1}=\dfrac{1}{x_n+2},y_{n+1}=\dfrac{1}{y_n+2}$,则 min{xn,yn}<21<max{xn,yn}\min\{x_n,y_n\}<\sqrt{2}-1<\max\{x_n,y_n\},且 min{xn,yn},max{xn,yn}21\min\{x_n,y_n\},\max\{x_n,y_n\}\to\sqrt{2}-1

对有理数 $x=\dfrac{a}{b}(\gcd(a,b)=1),y=\dfrac{c}{d}(\gcd(c,d)=1)$,记 xy=a+cb+dx\oplus y=\dfrac{a+c}{b+d},可以归纳证明 xn+1=xnyn,yn+1=xnxn+1x_{n+1}=x_n\oplus y_n, y_{n+1}=x_n\oplus x_{n+1}

所以 $f(x_{n+1})=\dfrac{1}{2}f(x_n)+\dfrac{1}{2}f(y_n),f(y_{n+1})=\dfrac{1}{2}f(x_n)+\dfrac{1}{2}f(x_{n+1})=\dfrac{3}{4}f(x_n)+\dfrac{1}{4}f(y_n)$。

解得 $f(x_n)=\dfrac{2}{5}-\dfrac{2}{5}(-\dfrac{1}{4})^n,f(y_n)=\dfrac{2}{5}+\dfrac{3}{5}(-\dfrac{1}{4})^n$。

由于 $\min\{f(x_n),f(y_n)\}=f(\min\{x_n,y_n\})<f(\sqrt{2}-1)<f(\max\{x_n,y_n\})=\max\{f(x_n),f(y_n)\}$,且 $\min\{f(x_n),f(y_n)\},\max\{f(x_n),f(y_n)\}\to\dfrac{2}{5}$,故 f(21)=25f(\sqrt{2}-1)=\dfrac{2}{5}