Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 3. Floor Function and Fractional Part



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet94/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   90   91   92   93   94   95   96   97   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 3. Floor Function and Fractional Part
First solution.
Denote the sum in question by
S
n
. Then
S
n

S
n

1
=
#
x
n
$
+
%
x
+
1
n
&
+ · · · +
%
x
+
n

1
n
&
=
#
x
n
$
+
%
x
n
+
1
n
&
+ · · · +
%
x
n
+
n

1
n
&
,
and according to Hermite’s identity,
S
n

S
n

1
=
#
n
x
n
$

x
.
Because
S
1

x
, it follows that
S
n
=
n
x
for all
n
.
Second solution.
By Hermite’s identity applied to
x
/
j
we have
j

1
i
=
0
%
x
+
i
j
&
=
%
j
x
j
&

x
.
Summing this over
j
gives
n
j
=
1
j

1
i
=
0
%
x
+
i
j
&
=
n
x
.
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
&
.
Solution.
We can write each term of the difference in question as
#
1
3
+
v
k
$

#
1
3

v
k
$
,
where
v
k
=
2000
/
3
k
+
1
. Since

u
= −
u
+
1 for each nonintegral value of
u
,
and since
1
3

v
k
is never an integer, we have to examine the sum
2000
k
=
0
#
v
k
+
1
3
$
+
#
v
k

1
3
$
+
1
.
Taking
n
=
3 and
x
=
v

1
3
in (1) yields
#
v
+
1
3
$
+
#
v

1
3
$
+
1

3
v
− 
v
.


3.1. General Problems
261
Hence the desired difference becomes
2000
k
=
0
%
2000
3
k
&

%
2000
3
k
+
1
&
,
which telescopes to
2000

%
2000
3
&
+
%
2000
3
&

%
2000
3
2
&
+ · · · =
2000
.
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)
Solution.
(a) Since 0
.
99
=
99
100
, it is natural to look for a rational
x
of the form
n
10
,
for some positive integer
n
. It is not difficult to see that
x
=
13
10
satisfies the given
equality and then that
x
=
10
k
+
13
10
also satisfies the equality for any positive
integer
k
.
(b) Suppose that
x
=
p
/
q
, with
p
,
q
positive integers, gcd
(
p
,
q
)
=
1, satisfies
{
x
2
}+{
x
} =
1. We can see that
p
2
+
pq

q
2
q
2
=
x
2
+
x

1

Z
; thus
q
|
p
2
, and since
gcd
(
p
,
q
)
=
1, one has
q
=
1. Thus
x

Z
, and this is obviously impossible.
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)
Solution.
From the inequalities 4
n
2
<
4
n
2
+
n
<
4
n
2
+
n
+
1
16
one obtains
2
n
<

4
n
2
+
n
<
2
n
+
1
4
. So

4
n
2
+
n
=
2
n
and
{

4
n
2
+
n
}
<
1
/
4.
Problem 3.1.15.
Prove that for every natural number n,
n
2
k
=
1
{

k
} ≤
n
2

1
2
.
(1999 Russian Mathematical Olympiad)


262
II Solutions, 3. Floor Function and Fractional Part
Solution.
We prove the claim by induction on
n
. For
n
=
1, we have 0

0. Now
supposing that the claim is true for
n
, we prove that it is true for
n
+
1.
Each of the numbers

n
2
+
1
,

n
2
+
2
, . . . ,

n
2
+
2
n
is between
n
and
n
+
1. Thus
{
n
2
+
i
} =
n
2
+
i

n
<
;
n
2
+
i
+
i
2
4
n
2

n
=
i
2
n
,
i
=
1
,
2
, . . . ,
2
n
.
Therefore we have
(
n
+
1
)
2
k
=
1
{

k
} =
n
2
k
=
1
{

k
} +
(
n
+
1
)
2
k
=
n
2
+
1
{

k
}
<
n
2

1
2
+
1
2
n
2
n
i
=
1
i
+
0
=
n
2

1
2
+
2
n
+
1
2
=
(
n
+
1
)
2

1
2
,
completing the inductive step and the proof.
Problem 3.1.16.
The rational numbers
α
1
, . . . , α
n
satisfy
n
i
=
1
{
k
α
i
}
<
n
2
for any 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)
Solution.
(a) Assume the contrary. The problem would not change if we replace
α
i
with
{
α
i
}
. So we may assume 0
< α
i
<
1 for all 1

i

n
. Because
α
i
is
rational, let
α
i
=
p
i
q
i
, and
D
=
n
i
=
1
q
i
. Because
(
D

1

i
+
α
i
=
D
α
i
is an
integer, and
α
i
is not an integer,
{
(
D

1

i
} + {
α
i
} =
1. Then
n
>
n
i
=
1
{
(
D

1

i
} +
n
i
=
1
{
α
i
} =
n
i
=
1
1
=
n
,
contradiction. Therefore, one of the
α
i
has to be an integer.
(b) Yes. Let
α
i
=
1
2
for all
i
. Then
"
n
i
=
1
{
k
α
i
} =
0 when
k
is even and
"
n
i
=
1
{
k
α
i
} =
n
2
when
k
is odd.


3.2. Floor Function and Integer Points
263
3.2
Floor Function and Integer Points
Problem 3.2.3.
Prove that
n
k
=
1
%
n
2
k
2
&
=
n
2
k
=
1
%
n

k
&
for all integers n

1
.
Solution.
Consider the function
f
: [
1
,
n
] → [
1
,
n
2
]
,
f
(
x
)
=
n
2
x
2
.
Note that
f
is decreasing and bijective, and
f

1
(
x
)
=
n

x
.
Using the formula in Theorem 3.2.3, we obtain
n
k
=
1
%
n
2
k
2
&

n
2
k
=
1
%
n

k
&
=
n
1

1

n
2
1

1
=
0
,
hence
n
k
=
1
%
n
2
k
2
&
=
n
2
k
=
1
%
n

k
&
,
n

1
,
as desired.
Problem 3.2.4.
Let
θ
be a positive irrational number. Then, for any positive inte-
ger m,
m
k
=
1
k
θ
+
m
θ
k
=
1
%
k
θ
&
=
m
m
θ
.
Solution.
Consider the function
f
: [
0
,
m
] → [
0
,
m
θ
]
,
f
(
x
)
=
θ
x
. Because
θ
is irrational, we have that
n
(
G
f
)
=
1 cancels the
a

1
c

1
=
(

1
)
2
=
1
term, and the conclusion follows from Theorem 3.2.1.
Problem 3.2.5.
Let p and q be relatively prime positive integers and let m be a
real number such that
1

m
<
p.
(1) If s
=
mq
p
, then
m
k
=
1
%
kq
p
&
+
s
k
=
1
%
kp
q
&

m
s
.


264

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   90   91   92   93   94   95   96   97   ...   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