说明
(x,y) 表示数对,gcd(x,y) 表示最大公约数;N 表示自然数集(含 0)。
T1(25pts)
叙述并证明(数论)拉格朗日(Lagrange)定理。
叙述
n 次多项式在模质数 p 的意义下最多有 n 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 p 和正整数 n,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 p 和正整数 n,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,mi∈Zp,n=i=0∑k−1nipi,m 同理。
证明略。
T3(40pts)
对给定的正整数 x0,x1,k,l,定义
xn=kgcd(xn−1,xn−2)+l(n≥2)。证明:{xn} 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,l 互质的形式相对简单,k,l 不互质时可以尝试变为互质情形。
证明(a3)
引理:若 {xn} 有界,则 {xn} 有周期。
引理的证明
设 ∀n,xn≤M,则 (xn,cn+1) 有 M2 种可能。
取 n=0,1,⋯,M2,由抽屉原理,必有两个 m,n(0≤n<m≤M2) 使得 (xn,xn+1)=(xm.xm+1)。
此时 xn+k=xm+k(k∈N),因而 x 是从 n 开始的周期为 m−n 的数列。
不妨设 xn=kyn+l(l∈N,因为可以从 x2 算起,则有 yn+2=gcd(kyn+1+l,kyn+l),x 有界等价于 y 有界。
若 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 yn≤max{y1,y0},即 y 有界。
若 gcd(k,l)=d>1,不妨设 yn=dzn,zn∈Z+,n∈N,因为可以从 y2 算起,则有 zn+2=gcd(kzn+1+l/d,kzn+l/d),y 有界等价于 z 有界。
由于 gcd(k,l/d)≤l/d<l,反复操作必有 d=1。故 x 有界。
上述过程可以改写为对 l 归纳。
T4(40pts)
给定正整数 k,定义 f:Z+→Z+,满足 $f(1)=1,f(n)=\operatorname{mex}\limits_{i=1}^{n-1}\{f(i),f(i)+ki\}$。其中 mexS 表示 S 中未出现的最小正整数。
证明:对所有正整数 n,有 f(f(n)+kn−n)=f(n)+kn−1。
思路
对于含有 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 β−α=k,1/α+1/β=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]。
原命题即证 [α([βn]−n)]=[βn]−1,
即 [βn]−1≤α([βn]−n)<[βn],
αn−1≤(α−1)[βn]<αn,
$(\beta-1)(\alpha n-1)\le [\beta n]<(\beta -1)\alpha n$,
βn−(β−1)≤[βn]<βn。
由 β>2 且 β 为无理数知显然成立。
T5(50pts)
已知 f:[0,1]→[0,1] 满足:
- f(0)=0,f(1)=1;
- 对所有满足 ∣ad−bc∣=1 的非负整数 a≤b=0;c≤d=0,有 $2f(\dfrac{a+c}{b+d})=f(\dfrac{a}{b})+f(\dfrac{c}{d})$;
- f 单调递增。
(1) 证明:x 是有理数当且仅当 f(x) 是有理数,且其最简表示中分母为 2 的幂。
(2) 求 f(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 f 显然分母是 2 的幂,由于(第 i 层的所有有理数)的 f 把最简形式的分母为 2i 的有理数用完了,故无理数的 f 不可能分母为 2i。
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) 的分母为 2 的幂。
考虑对 p+q 归纳。p+q=1,2(x=0,1) 平凡。
若 p+q>2,考虑方程 a(q−b)−b(p−a)=1,即 aq−bp=1,显然其有 0≤a<p,0≤b<q 的解,故存在非负整数 a≤b=0;c≤d=0 满足 ∣ad−bc∣=1,a+c=p 和 b+d=q。
由归纳假设,f(ba),f(dc) 的分母均为 2 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 2 的幂。
再证对所有的 i∈N 和 0≤p≤2i,存在有理数 x,使得 f(x)=2ip。进而由 f 单调递增,知 f 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 ∣ad−bc∣=1。
i=0 平凡。
i>0 时,不妨设 2∤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(b+da+c)=2ip,且 ∣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 2 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 x 近似 2−1,为使 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 2−1 的 Farey 二进制为 LLRRLLRR……
解(a3)
答案为 52。
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}<2−1<max{xn,yn},且 min{xn,yn},max{xn,yn}→2−1。
对有理数 $x=\dfrac{a}{b}(\gcd(a,b)=1),y=\dfrac{c}{d}(\gcd(c,d)=1)$,记 x⊕y=b+da+c,可以归纳证明 xn+1=xn⊕yn,yn+1=xn⊕xn+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(2−1)=52。