Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet40/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   36   37   38   39   40   41   42   43   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

3.1. General Problems
67
Problem 3.1.12.
Evaluate the difference between the numbers
2000
k
=
0
%
3
k
+
2000
3
k
+
1
&
and
2000
k
=
0
%
3
k

2000
3
k
+
1
&
.
Problem 3.1.13.
(a) Prove that there are infinitely many rational positive numbers
x
such that
{
x
2
} + {
x
} =
0
.
99
.
(b) Prove that there are no rational numbers
x
>
0 such that
{
x
2
} + {
x
} =
1
.
(2004 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 3.1.14.
Show that the fractional part of the number

4
n
2
+
n
is not
greater than 0.25.
(2003 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 3.1.15.
Prove that for every natural number
n
,
n
2
k
=
1
{

k
} ≤
n
2

1
2
.
(1999 Russian Mathematical Olympiad)
Problem 3.1.16.
The rational numbers
α
1
, . . . , α
n
satisfy
n
i
=
1
{
k
α
i
}
<
n
2
for every positive integer
k
.
(a) Prove that at least one of
α
1
, . . . , α
n
is an integer.
(b) Do there exist
α
1
, . . . , α
n
that satisfy, for every positive integer
k
,
n
i
=
1
{
k
α
i
} ≤
n
2
,
such that no
α
i
is an integer?
(2002 Belarusian Mathematical Olympiad)


68
I Fundamentals, 3. Floor Function and Fractional Part
3.2
Floor Function and Integer Points
The following results are helpful in proving many relations involving the floor
function.
Theorem 3.2.1.
Let a
,
b
,
c
,
d be nonnegative real numbers and let f
: [
a
,
b
] →
[
c
,
d
]
be a bijective increasing function.
Then
a

k

b
f
(
k
)
+
c

k

d
f

1
(
k
)

n
(
G
f
)

b
d
− 
a

1
c

1
,
(
1
)
where k ranges over integers and n
(
G
f
)
is the number of points with integer
coordinates on the graph of f .
Proof.
Note that
x
is the number of integers in the interval
[
0
,
x
)
,
x
is the
number of integers in the interval
(
0
,
x
]
, and hence
x
+
1 is the number of
integers in the interval
[
0
,
x
]
.
For a bounded region
M
of the plane we denote by
n
(
M
)
the number of points
with nonnegative integral coordinates in
M
.
Since
f
is increasing and bijective, it is continuous. Hence we can consider
the following regions (see Figure 3.1):
M
1
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
a

x

b
,
0

y

f
(
x
)
}
,
M
2
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
c

y

d
,
0

x

f

1
(
y
)
}
,
M
3
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
0

x

b
,
0

y

d
}
,
M
4
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
0

x
<
a
,
0

y
<
d
}
.
Then using the remarks above, we compute
n
(
M
1
)
=
a

k

b
(
f
(
k
)
+
1
),
n
(
M
2
)
=
c

k

d
(
f

1
(
k
)
+
1
)
n
(
M
3
)
=
(
b
+
1
)(
d
+
1
),
n
(
M
4
)

a
· 
c
.
Since
M
1

M
2
=
M
3
\
M
4
and
M
1

M
2
=
G
f
is the graph of
f
, we get the
identity
a

k

b
(
f
(
k
)
+
1
)
+
c

k

d
(
f

1
(
k
)
+
1
)

n
(
G
f
)
=
(
b
+
1
)(
d
+
1
)

a
·
c
.
The interval
[
a
,
b
] = [
0
,
b
] − [
0
,
a
)
contains
b
+
1
− 
a
integers, and
therefore the first sum on the right has this many terms. Similarly, the second sum


3.2. Floor Function and Integer Points
69
has
d
+
1
− 
c
terms. Hence we get
a

k

b
f
(
k
)
+
c

k

d
f

1
(
k
)

n
(
G
f
)
=
(
b
+
1
)(
d
+
1
)
− 
a
· 
c

(
b
+
1
− 
a
)

(
d
+
1
− 
c
)

b
d
− 
a

1
c

1
.
Figure 3.1.
Theorem 3.2.2.
Let m
,
n
,
s be positive integers, m

n. Then
s
k
=
1
%
km
n
&
+
1

k

ms
n
%
kn
m
&
=
s
#
ms
n
$
+
%
gcd
(
m
,
n
)
·
s
n
&
.
(
2
)
Proof.
We first prove the following lemma.
Lemma.
The collection
1
·
m
n
,
2
·
m
n
, . . . ,
s
·
m
n
contains exactly
#
gcd
(
m
,
n
)
·
s
n
$
integers.
Proof of the lemma.
Let
d
be the greatest common divisor of
m
and
n
. Hence
m
=
m
1
d
and
n
=
n
1
d
for some integers
m
1
and
n
1
.
The numbers in the collection are
1
·
m
1
n
1
,
2
·
m
1
n
1
, . . . ,
s
·
m
1
n
1
and since
m
1
,
n
1
are relatively prime, there are
s
/
n
1
integers among them. Be-
cause
n
1
=
n
d
=
n
gcd
(
m
,
n
)
it follows that there are
gcd
(
m
,
n
)
s
n
integers in the
collection.


70
I Fundamentals, 3. Floor Function and Fractional Part
In order to prove the desired result, let us consider the function
f
: [
1
,
s
] →
m
n
,
ms
n
,
f
(
x
)
=
m
n
x
in Theorem 3.2.1. Using the lemma above we have
n
(
G
f
)
=
gcd
(
m
,
n
)
·
s
n
, and the conclusion follows.
Remark.
The special case
s
=
n
leads to an important result:
n
k
=
1
%
km
n
&
+
m
k
=
1
%
kn
m
&
=
mn
+
gcd
(
m
,
n
).
(
3
)
Theorem 3.2.3.
Let a
,
b
,
c
,
d be nonnegative real numbers and let f
: [
a
,
b
] →
[
c
,
d
]
be a bijective, decreasing function.
Then
a

k

b
f
(
k
)

c

k

d
[
f

1
(
k
)
] = 
b
c

1
− 
d
a

1
,
where again k ranges over integers.
Proof.
Use the notation of the proof of Theorem 3.2.1. Since
f
is decreasing and
bijective, it is continuous and we can define the regions (see Figure 3.2)
N
1
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
a

x

b
,
c

y

f
(
x
)
}
,
N
2
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
c

y

d
,
a

x

f

1
(
y
)
}
,
N
3
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
a

x

b
,
0

y
<
c
}
,
N
4
= {
(
x
,
y
)

R
2
|
a

x

b
,
c

y

d
}
.
Figure 3.2.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   36   37   38   39   40   41   42   43   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish