答案速览
题号
答案
1
3 3 3
2
恒等式成立,第二项应为 y m x j y^mx^j y m x j
3
不等式成立,实际上严格大于 1 1 1
4
α = ( a − a 2 − 4 a ) / 2 , β = ( a + a 2 − 4 a ) / 2 \alpha=(a-\sqrt{a^2-4a})/2,\ \beta=(a+\sqrt{a^2-4a})/2 α = ( a − a 2 − 4 a ) /2 , β = ( a + a 2 − 4 a ) /2
5
唯一解 f ( x ) = 3 x f(x)=3x f ( x ) = 3 x
6
f ( x ) 2 + g ( x ) 2 = 1 f(x)^2+g(x)^2=1 f ( x ) 2 + g ( x ) 2 = 1
逐题解析
第 1 题
题目
已知 p p p 是大于 3 3 3 的素数,求
∏ k = 1 p ( 1 + 2 cos 2 k π p ) \prod_{k=1}^{p}\left(1+2\cos\frac{2k\pi}{p}\right) k = 1 ∏ p ( 1 + 2 cos p 2 k π )
的值。
解答
令 ζ = e 2 π i / p \zeta=e^{2\pi i/p} ζ = e 2 π i / p 。单独取出 k = p k=p k = p 的因子 3 3 3 ,其余因子为
1 + ζ k + ζ − k = ζ − k 1 − ζ 3 k 1 − ζ k . 1+\zeta^k+\zeta^{-k}
=\zeta^{-k}\frac{1-\zeta^{3k}}{1-\zeta^k}. 1 + ζ k + ζ − k = ζ − k 1 − ζ k 1 − ζ 3 k .
因为 p > 3 p>3 p > 3 为素数,3 k m o d p 3k\bmod p 3 k mod p 在 1 ≤ k ≤ p − 1 1\le k\le p-1 1 ≤ k ≤ p − 1 时是非零剩余类的置换,分式乘积为 1 1 1 。又 ζ − ∑ k = ζ − p ( p − 1 ) / 2 = 1 \zeta^{-\sum k}=\zeta^{-p(p-1)/2}=1 ζ − ∑ k = ζ − p ( p − 1 ) /2 = 1 ,所以原乘积为 3 3 3 。
第 2 题
题目
已知 m , n m,n m , n 为正整数,x > 0 x>0 x > 0 ,y > 0 y>0 y > 0 且 x + y = 1 x+y=1 x + y = 1 。求证:
∑ i = 0 m − 1 ( n − 1 + i i ) x n y i + ∑ j = 0 n − 1 ( m − 1 + j j ) y m x j = 1. \sum_{i=0}^{m-1}\binom{n-1+i}{i}x^ny^i+
\sum_{j=0}^{n-1}\binom{m-1+j}{j}y^mx^j=1. i = 0 ∑ m − 1 ( i n − 1 + i ) x n y i + j = 0 ∑ n − 1 ( j m − 1 + j ) y m x j = 1.
解答
来源正文及概率解释均要求第二和式为 ∑ j = 0 n − 1 ( m − 1 + j j ) y m x j \sum_{j=0}^{n-1}\binom{m-1+j}{j}y^mx^j ∑ j = 0 n − 1 ( j m − 1 + j ) y m x j ,已恢复。
独立投掷正面概率 x x x 、反面概率 y y y 的硬币,直到正面出现 n n n 次或反面出现 m m m 次为止,至迟 m + n − 1 m+n-1 m + n − 1 次必然停止。若由第 n n n 次正面触发停止,之前共出现 i i i 次反面,0 ≤ i < m 0\le i<m 0 ≤ i < m ,概率为 ( n − 1 + i i ) x n y i \binom{n-1+i}{i}x^ny^i ( i n − 1 + i ) x n y i 。若由第 m m m 次反面触发停止,概率相应为 ( m − 1 + j j ) y m x j \binom{m-1+j}{j}y^mx^j ( j m − 1 + j ) y m x j 。这些事件互斥且穷尽,概率和为 1 1 1 。
第 3 题
题目
已知 n ∈ N + n\in\mathbb N^+ n ∈ N + 且 n ≥ 2 n\ge2 n ≥ 2 ,x i > 0 x_i>0 x i > 0 (i = 1 , 2 , … , n i=1,2,\ldots,n i = 1 , 2 , … , n )。求证:
x 1 x 2 + x 2 x 3 + ⋯ + x n − 1 x n + x n x 1 ≥ 1. x_1^{x_2}+x_2^{x_3}+\cdots+x_{n-1}^{x_n}+x_n^{x_1}\ge1. x 1 x 2 + x 2 x 3 + ⋯ + x n − 1 x n + x n x 1 ≥ 1.
解答
若某个 x i ≥ 1 x_i\ge1 x i ≥ 1 ,相应项至少为 1 1 1 ,其余项均正,已证。以下所有 0 < x i < 1 0<x_i<1 0 < x i < 1 ,令 x n + 1 = x 1 x_{n+1}=x_1 x n + 1 = x 1 。
对 u > 0 , 0 < t < 1 u>0,0<t<1 u > 0 , 0 < t < 1 ,凹函数 s t s^t s t 的切线界给出 ( 1 + u ) t ≤ 1 + t u (1+u)^t\le1+tu ( 1 + u ) t ≤ 1 + t u 。取 u = ( 1 − x i ) / x i , t = x i + 1 u=(1-x_i)/x_i,t=x_{i+1} u = ( 1 − x i ) / x i , t = x i + 1 ,得到
x i x i + 1 ≥ x i x i + x i + 1 − x i x i + 1 > x i x i + x i + 1 ≥ x i x 1 + ⋯ + x n . x_i^{x_{i+1}}\ge
\frac{x_i}{x_i+x_{i+1}-x_ix_{i+1}}
>\frac{x_i}{x_i+x_{i+1}}
\ge\frac{x_i}{x_1+\cdots+x_n}. x i x i + 1 ≥ x i + x i + 1 − x i x i + 1 x i > x i + x i + 1 x i ≥ x 1 + ⋯ + x n x i .
对所有 i i i 求和,即严格大于 1 1 1 。
第 4 题
题目
已知数列 { x n } \{x_n\} { x n } 与 { y n } \{y_n\} { y n } 满足 x 1 = 1 x_1=1 x 1 = 1 ,x n + y n = a n − 1 x_n+y_n=an-1 x n + y n = an − 1 ,其中 a > 4 a>4 a > 4 ,a ∈ N + a\in\mathbb N^+ a ∈ N + ;x n + 1 x_{n+1} x n + 1 是除 x 1 , x 2 , … , x n , y 1 , y 2 , … , y n x_1,x_2,\ldots,x_n,y_1,y_2,\ldots,y_n x 1 , x 2 , … , x n , y 1 , y 2 , … , y n 之外最小的正整数。求证:存在常数 α , β \alpha,\beta α , β ,使
x n = ⌊ α n ⌋ , y n = ⌊ β n ⌋ . x_n=\lfloor\alpha n\rfloor,\qquad y_n=\lfloor\beta n\rfloor. x n = ⌊ α n ⌋ , y n = ⌊ β n ⌋ .
解答
取表中的 α < β \alpha<\beta α < β ,满足 α + β = a , α β = a \alpha+\beta=a,\alpha\beta=a α + β = a , α β = a ,因此 1 / α + 1 / β = 1 1/\alpha+1/\beta=1 1/ α + 1/ β = 1 。对整数 a > 4 a>4 a > 4 ,判别式 a 2 − 4 a a^2-4a a 2 − 4 a 严格位于 ( a − 3 ) 2 (a-3)^2 ( a − 3 ) 2 与 ( a − 2 ) 2 (a-2)^2 ( a − 2 ) 2 之间,故两根无理,且 1 < α < 2 < β 1<\alpha<2<\beta 1 < α < 2 < β 。
先证明两个取整序列互补。对任意整数 N ≥ 0 N\ge0 N ≥ 0 ,两序列中不超过 N N N 的项数之和为
⌊ N + 1 α ⌋ + ⌊ N + 1 β ⌋ = N . \left\lfloor\frac{N+1}{\alpha}\right\rfloor+
\left\lfloor\frac{N+1}{\beta}\right\rfloor=N. ⌊ α N + 1 ⌋ + ⌊ β N + 1 ⌋ = N .
因为括号内两个数都是非整数,和恰为 N + 1 N+1 N + 1 。将 N N N 与 N − 1 N-1 N − 1 的计数相减,说明每个正整数在两序列合并后恰出现一次。又
⌊ α n ⌋ + ⌊ β n ⌋ = a n − 1. \lfloor\alpha n\rfloor+\lfloor\beta n\rfloor=an-1. ⌊ α n ⌋ + ⌊ β n ⌋ = an − 1.
⌊ α ⌋ = 1 \lfloor\alpha\rfloor=1 ⌊ α ⌋ = 1 ,且 ⌊ β n ⌋ > ⌊ α n ⌋ \lfloor\beta n\rfloor>\lfloor\alpha n\rfloor ⌊ β n ⌋ > ⌊ α n ⌋ 。在删去两序列前 n n n 项后,比 ⌊ α ( n + 1 ) ⌋ \lfloor\alpha(n+1)\rfloor ⌊ α ( n + 1 )⌋ 小的任何正整数都已被删去:若它属于第二序列,其下标也必不超过 n n n 。因此最小剩余整数正是 ⌊ α ( n + 1 ) ⌋ \lfloor\alpha(n+1)\rfloor ⌊ α ( n + 1 )⌋ ,与题中递推一致;归纳得到所求公式。
第 5 题
题目
求所有函数 f : ( 0 , + ∞ ) → ( 0 , + ∞ ) f:(0,+\infty)\to(0,+\infty) f : ( 0 , + ∞ ) → ( 0 , + ∞ ) ,使对任意正数 x x x 都有
f ( f ( x ) ) = 12 x − f ( x ) . f(f(x))=12x-f(x). f ( f ( x )) = 12 x − f ( x ) .
解答
固定 x > 0 x>0 x > 0 ,令 u 0 = x , u n + 1 = f ( u n ) u_0=x,u_{n+1}=f(u_n) u 0 = x , u n + 1 = f ( u n ) ,则所有 u n > 0 u_n>0 u n > 0 ,且 u n + 2 + u n + 1 = 12 u n u_{n+2}+u_{n+1}=12u_n u n + 2 + u n + 1 = 12 u n 。特征根为 3 , − 4 3,-4 3 , − 4 ,故 u n = A 3 n + B ( − 4 ) n u_n=A3^n+B(-4)^n u n = A 3 n + B ( − 4 ) n 。若 B ≠ 0 B\ne0 B = 0 ,因 4 > 3 4>3 4 > 3 ,足够大的奇、偶下标中必有一类使 u n < 0 u_n<0 u n < 0 ,矛盾。所以 B = 0 B=0 B = 0 ,u 1 = 3 u 0 u_1=3u_0 u 1 = 3 u 0 ,即 f ( x ) = 3 x f(x)=3x f ( x ) = 3 x 。代入验证成立。
第 6 题
题目
已知在 R \mathbb R R 上可导的非常数函数 f ( x ) , g ( x ) f(x),g(x) f ( x ) , g ( x ) 满足:对任意实数 x , y x,y x , y 都有
f ( x + y ) = f ( x ) f ( y ) − g ( x ) g ( y ) , g ( x + y ) = f ( x ) g ( y ) + g ( x ) f ( y ) , f(x+y)=f(x)f(y)-g(x)g(y),\qquad
g(x+y)=f(x)g(y)+g(x)f(y), f ( x + y ) = f ( x ) f ( y ) − g ( x ) g ( y ) , g ( x + y ) = f ( x ) g ( y ) + g ( x ) f ( y ) ,
且 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0)=0 f ′ ( 0 ) = 0 。求证:f 2 ( x ) + g 2 ( x ) = 1 f^2(x)+g^2(x)=1 f 2 ( x ) + g 2 ( x ) = 1 。
解答
先令 y = 0 y=0 y = 0 ,两个函数方程给出
( f ( 0 ) − 1 ) f ( x ) − g ( 0 ) g ( x ) = 0 , g ( 0 ) f ( x ) + ( f ( 0 ) − 1 ) g ( x ) = 0. (f(0)-1)f(x)-g(0)g(x)=0,\quad
g(0)f(x)+(f(0)-1)g(x)=0. ( f ( 0 ) − 1 ) f ( x ) − g ( 0 ) g ( x ) = 0 , g ( 0 ) f ( x ) + ( f ( 0 ) − 1 ) g ( x ) = 0.
存在 x x x 使 ( f ( x ) , g ( x ) ) ≠ ( 0 , 0 ) (f(x),g(x))\ne(0,0) ( f ( x ) , g ( x )) = ( 0 , 0 ) ,故系数行列式 ( f ( 0 ) − 1 ) 2 + g ( 0 ) 2 = 0 (f(0)-1)^2+g(0)^2=0 ( f ( 0 ) − 1 ) 2 + g ( 0 ) 2 = 0 ,所以 f ( 0 ) = 1 , g ( 0 ) = 0 f(0)=1,g(0)=0 f ( 0 ) = 1 , g ( 0 ) = 0 。
对 y y y 求导再令 y = 0 y=0 y = 0 ,记 c = g ′ ( 0 ) c=g'(0) c = g ′ ( 0 ) ,利用 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0)=0 f ′ ( 0 ) = 0 得 f ′ ( x ) = − c g ( x ) , g ′ ( x ) = c f ( x ) f'(x)=-cg(x),g'(x)=cf(x) f ′ ( x ) = − c g ( x ) , g ′ ( x ) = c f ( x ) 。因而 ( f 2 + g 2 ) ′ = 0 (f^2+g^2)'=0 ( f 2 + g 2 ) ′ = 0 ,它为常数,代入零点得常数为 1 1 1 。