高斯函数[x]在高中数学竞赛中的应用

数学竞赛中的高斯函数一、 知识概要1， 定义：设x R ∈，用[]x 表示不超过x 的最大整数。

则[]y x =称为高斯函数，也叫取整函数。

显然，[]y x =的定义域是R ，值域是Z 。

任一实数都能写成整数部分与非负纯小数之和，即[]()01x x a a =+≤<，因此，[]x x ≤[]1x <+，这里，[]x 为x 的整数部分，而{}[]x x x =-为x 的小数部分。

2，性质1，函数[]y x =是一个分段表达的不减的无界函数，即当12x x ≤时，有[][]12x x ≤； 2，[][]n x n x +=+，其中n Z ∈； 3，[][]11x x x x -<≤<+；4，若[][]x y n ==，则,,x n a y n b =+=+其中0,1a b ≤<； 5，对于一切实数,x y 有[][][]x y x y +≤+； 6，若0,0x y ≥≥，则[][][]xy x y ≥；7，[][][]1x x x ⎧--⎪-=⎨-⎪⎩8，若n N +∈，则[]x x n n ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦；当1n =时，[][]x x ⎡⎤=⎣⎦； 9，若整数,a b 适合a bq r =+（0,,b q r >是整数，0r b ≤<），则a q b ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦；10，x 是正实数，n 是正整数，则在不超过x 的正整数中，n 的倍数共有x n ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个；11，设p 为任一素数，在!n 中含p 的最高乘方次数记为()!p n ，则有：()()12!m m m n n n p n p n p p p p +⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+++≤<⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦。

（x 不是整数时） （x 是整数时）证明：由于p 是素数，所有!n 中所含p 的方次数等于!n 的各个因数1,2,,n 所含p 的方次数之总和。

由性质10可知，在1,2,,n 中，有n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个p 的倍数，有2n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个2p 的倍数，有3n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个3p 的倍数， ，当1m m p n p +≤<时，120m m n n p p ++⎡⎤⎡⎤===⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，所以命题成立。

高中数学竞赛大纲全国高中数学联赛全国高中数学联赛（一试）所涉及的知识范围不超出教育部2000年《全日制普通高级中学数学教学大纲》中所规定的教学要求和内容，但在方法的要求上有所提高。

全国高中数学联赛加试全国高中数学联赛加试（二试）与国际数学奥林匹克接轨，在知识方面有所扩展；适当增加一些教学大纲之外的内容，所增加的内容是：1.平面几何几个重要定理：梅涅劳斯定理、塞瓦定理、托勒密定理、西姆松定理。

三角形中的几个特殊点：旁心、费马点，欧拉线。

几何不等式。

几何极值问题。

几何中的变换：对称、平移、旋转。

圆的幂和根轴。

面积方法，复数方法，向量方法，解析几何方法。

2.代数周期函数，带绝对值的函数。

三角公式，三角恒等式，三角方程，三角不等式，反三角函数。

递归，递归数列及其性质，一阶、二阶线性常系数递归数列的通项公式。

第二数学归纳法。

平均值不等式，柯西不等式，排序不等式，切比雪夫不等式，一元凸函数。

复数及其指数形式、三角形式，欧拉公式，棣莫弗定理，单位根。

多项式的除法定理、因式分解定理，多项式的相等，整系数多项式的有理根*，多项式的插值公式*。

n次多项式根的个数，根与系数的关系，实系数多项式虚根成对定理。

函数迭代，简单的函数方程*3. 初等数论同余，欧几里得除法，裴蜀定理，完全剩余类，二次剩余，不定方程和方程组，高斯函数[x]，费马小定理，格点及其性质，无穷递降法，欧拉定理*，孙子定理*。

4.组合问题圆排列，有重复元素的排列与组合，组合恒等式。

组合计数，组合几何。

抽屉原理。

容斥原理。

极端原理。

图论问题。

集合的划分。

覆盖。

平面凸集、凸包及应用*。

注：有*号的内容加试中暂不考，但在冬令营中可能考。

第一章 集合一、基础知识定义1 差集，},{\B x A x x B A ∉∈=且。

定义2 集合},,{b a R x b x a x <∈<<记作开区间),(b a ，集合},,{b a R x b x a x <∈≤≤记作闭区间],[b a ，R 记作).,(+∞-∞定理1 集合的性质：对任意集合A ，B ，C ，有：（1）);()()(C A B A C B A = （2）)()()(C A B A C B A =； （3）);(111B A C B C A C = （4）).(111B A C B C A C =定理2 加法原理：做一件事有n 类办法，第一类办法中有1m 种不同的方法，第二类办法中有2m 种不同的方法，…，第n 类办法中有n m 种不同的方法，那么完成这件事一共有n m m m N +++= 21种不同的方法。

赏析与高斯函数有关的中考新定义问题1 高斯函数问题的提出早年，数学王子高斯在闲暇时发现并定义了取整函数，即设x ∈R ，用[x ]或int (x )[2]表示不超过x 的最大整数，并用"{}x "表示x 的非负纯小数,则[]y x =称为高斯函数，也叫取整函数。

高斯函数[x ]的定义域是R ,值域为Z ,其图象是不连续的水平线段。

在初中、高中数学竞赛中经常出现含有取整函数的问题。

笔者前些年在高三复习时发现高斯函数问题[1]在高考中频繁出现，同样的，高斯函数也已渗透到中考，多以阅读理解的新定义问题的形式出现在压轴题的位置。

创新意识的培养是现代数学教育的基本任务，应体现在数学教与学的过程之中。

学生自己发现和提出问题是创新的基础；独立思考、学会思考是创新的核心；归纳概括得到猜想和规律，并加以验证，是创新的重要方法。

创新意识的培养应该从义务教育阶段做起，贯穿数学教育的始终[8]。

陶行知指出：“创造力最能发挥的条件是民主。

”民主、平等、宽松、和谐、愉悦的教学气氛，能够使学生产生自觉参与的欲望，无顾忌地充分表达自己的创意和“心理安全”，为其创造性活动的开展提供必要的条件。

高斯函数[x ]有关的求值问题及方程问题，这类问题新颖有趣味性，备受命题者关注。

同时这类问题对初中生有较大难度。

下面本文从一些各地中考考题和一些数学竞赛题为例去体会高斯函数。

2 高斯函数有关的准备我们只提出本文需要的一些性质[]{}x x x =+，[]1x x x -<≤[]1x <+。

3 高斯函数有关问题的解决一．以高斯函数的定义为背景考察例1 （2016乐山16）高斯函数[x ]，也称为取整函数，即[x ]表示不超过x 的最大整数． 例如：[2.3]=2，[﹣1.5]=﹣2．则下列结论：①[﹣2.1]+[1]=﹣2；②[x ]+[﹣x ]=0；③若[x +1]=3，则x 的取值范围是2≤x ＜3； ④当﹣1≤x ＜1时，[x +1]+[﹣x +1]的值为0、1、2．其中正确的结论有 （写出所有正确结论的序号）．分析：①[﹣2.1]+[1]=﹣3+1=﹣2，正确；②错误，例如：[2.5]=2，[﹣2.5]=﹣3，2+（﹣3）≠0；③若[x +1]=3，则x 的取值范围是2≤ x ＜3，正确；④当﹣1≤ x ＜1时，0≤ x +1＜2，0＜﹣x +1≤2，∴[x +1]=0或1，[﹣x +1]=0或1或2，当[x +1]=1时，[﹣x +1]=2；当[﹣x +1]=1时，[﹣x +1]=1或0；所以[x +1]+[﹣x +1]的值为1、2，故错误．故答案为：①③．点评：根据“定义[x ]为不超过x 的最大整数”进行计算．【变式1】（2017崇仁）规定：用符号[x ]表示一个不大于实数x 的最大整数，例如：[3.69]=3，[3+1]=2，[﹣2.56]=﹣3，[﹣3]=﹣2．按这个规定，[﹣13﹣1]= ．分析：∵4133<<，∴3-13-4-<<，∴[]5-1-13-=．故答案为：﹣5．【变式2】（2015，永州）定义[x ]为不超过x 的最大整数，如[3.6]=3，[0.6]=0，[﹣3.6]=﹣4．对于任意实数x ，下列式子中错误的是（ ）A ．[x ]=x （x 为整数）B ．0≤x ﹣[x ]＜1C ．[x +y ]≤[x ]+[y ]D ．[n +x ]=n +[x ]（n 为整数） 分析：A 、∵[x ]为不超过x 的最大整数，∴当x 是整数时，[x ]=x ，成立；B 、∵[x ]为不超过x 的最大整数，∴0≤x ﹣[x ]＜1，成立；C 、例如，[﹣5.4﹣3.2]=[﹣8.6]=﹣9，[﹣5.4]+[﹣3.2]=﹣6+（﹣4）=﹣10，∵﹣9＞﹣10，∴[﹣5.4﹣3.2]＞[﹣5.4]+[﹣3.2]，∴[x +y ]≤[x ]+[y ]不成立，D 、[n +x ]=n +[x ]（n 为整数），成立；故选：C ．美国著名心理学家布龙菲尔德说：“数学教学就是数学语言的教学”，可见数学不仅是一门科学，也是一种文化，更是一种语言---描述科学的语言。

高斯函数ｘ[]性质及其应用文贵双(甘肃省天水市一中㊀７４１０００)摘㊀要:高斯函数是一个有名的特殊的函数.教材以及各类考试中经常出现有关高斯函数的试题.文章列举了高斯函数的性质ꎬ举例说明高斯函数在考试中的各种应用.关键词:高斯函数ꎻ高考试题ꎻ教材中图分类号:Ｇ６３２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０３３３(２０２１)０４－００５１－０３收稿日期:２０２０－１１－０５作者简介:文贵双(１９６４.１１－)ꎬ男ꎬ甘肃省天水人ꎬ中学高级教师ꎬ从事高中数学教学研究.㊀㊀高考试题根植于教材ꎬ但又不断创新ꎬ将教材内容与高等数学巧妙结合ꎬ成为高考㊁竞赛的热点.高斯函数就是一个好的结合点ꎬ高斯函数出现在教材的习题中ꎬ各类考试中都有高斯函数的 倩影 ꎬ此类问题新颖灵活ꎬ能更好考查学生的思维品质和数学素养.高斯函数也叫取整函数.取整函数ｘ[]表示不大于ｘ的最大整数ꎬ且由于对于任意的实数ｘꎬ对应的函数值ｘ[]都是整数ꎬ故称函数ｙ＝ｘ[]为取整函数.ｘ[]满足下面几条简单性质(１)ｘ[]是整数.(２)ｘ[]ɤｘ<ｘ[]＋１.(３)取整函数是一个不减函数ꎬ即对任意ｘ１ꎬｘ２ɪＲꎬ若ｘ１<ｘ２ꎬ则ｘ１[]ɤｘ２[](４)若ｘꎬｙɪＲꎬ则ｘ[]＋ｙ[]ɤｘ＋ｙ[]ɤｘ[]＋ｙ[]＋１(５)若ｎ是正整数ꎬｘɪＲꎬ则ｎｘ[]ȡｎｘ[](６)若ｍ是整数ꎬ则ｘ＋ｍ[]＝ｘ[]＋ｍꎬｙ＝ｘ[]的图象如图１所示.其图象是一组阶高为１的平行与ｘ轴的线段ꎬ不包括右端点ꎬ这组平行线段成阶梯状ꎬ故取整函数亦称阶梯函数.而函数ｆ(ｘ)＝ｘ－ｘ[]称为ｘ的非负纯小数部分ꎬ并用 ｘ{} 表示.任意一个实数都能写成整数与非负纯小数之和ꎬ即:ｘ＝ｘ[]＋ｘ{}ꎬ其中ｘ{}ɪ[０ꎬ１)称为小数部分函数.ｆ(ｘ)＝ｘ－ｘ[]图象如图２所示ꎬ是一个周期函数.高斯函数ｘ[]是一个非常有趣的数论函数ꎬ在许多数学分支中都有广泛的应用ꎬ在高中数学竞赛和高考试题中也经常出现与高斯函数有关的试题.由于高斯函数ｘ[]性质不如初等函数(利如二次函数ꎬ指数函数㊁对数函数㊁三角函数)多ꎬ使用起来不方便.所以涉及取整函数ｘ[]的题目ꎬ有其特殊的技巧ꎬ下面举例说明其解法.㊀㊀一㊁有关高斯函数求值题例１㊀Ｓｎ为等差数列{ａｎ}的前ｎ项和ꎬ且ａ１＝１ꎬＳ７＝２８.记ｂｎ＝[ｌｇａｎ]ꎬ其中[ｘ]表示不超过ｘ的最大整数ꎬ如[０.９]＝０ꎬ[ｌｇ９９]＝１.(１)求ｂ１ꎬｂ１１ꎬｂ１０１ꎻ(２)求数列{ｂｎ}的前１０００项和.解㊀(１)设ａｎ{}的公差为ｄꎬＳ７＝７ａ４＝２８ꎬ由ａ４＝４ꎬ得ｄ＝ａ４－ａ１３＝１ꎬａｎ＝ａ１＋(ｎ－１)ｄ＝ｎ.故ｂ１＝ｌｇａ１[]＝ｌｇ１[]＝０ꎬｂ１１＝ｌｇａ１１[]＝ｌｇ１１[]＝１ꎬｂ１０１＝ｌｇａ１０１[]＝ｌｇ１０１[]＝２.(２)记ｂｎ{}的前ｎ项和为Ｔｎꎬ则Ｔ１０００＝ｂ１＋ｂ２＋ ＋ｂ１０００＝ｌｇａ１[]＋ｌｇａ２[]＋ ＋ｌｇａ１０００[].当０ɤｌｇａｎ<１时ꎬｎ＝１ꎬ２ꎬ ꎬ９ꎻ当１ɤｌｇａｎ<２时ꎬｎ＝１０ꎬ１１ꎬ ꎬ９９ꎻ当２ɤｌｇａｎ<３时ꎬｎ＝１００ꎬ１０１ꎬ ꎬ９９９ꎻ当ｌｇａｎ＝３时ꎬｎ＝１０００.故Ｔ１０００＝０ˑ９＋１ˑ９０＋２ˑ９００＋３ˑ１＝１８９３例２㊀求ｌｏｇ２１[]＋ｌｏｇ２２[]＋ｌｏｇ２３[]＋ ＋ｌｏｇ２２０１２[]的值.解㊀ｌｏｇ２１[]＝０ꎬｌｏｇ２２[]＝１ꎬｌｏｇ２３[]＝１ꎬｌｏｇ２４[]＝ｌｏｇ２５[]＝ｌｏｇ２６[]＝ｌｏｇ２７[]＝２ꎬ当２ｋɤｎ<２ｋ＋１时ꎬｌｏｇ２ｎ[]＝ｋꎬｋꎬｎ是自然数ꎬ故有:１５原式＝０＋１ˑ(２２－２)＋２ˑ(２３－２２)＋ ＋９ˑ(２１０－２９)＋１０ˑ(２０１２－１０２３)＝１ˑ２＋２ˑ２２＋３ˑ２３＋ ９ˑ２９＋９８９０＝８１９４＋９８９０＝１８０８４评注例１ꎬ例２不需要什么技巧ꎬ只要理解取整函数的概念即可解决问题.㊀㊀二㊁有关高斯函数图象题例３㊀已知ｘɪＲꎬ若函数ｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ－ａꎬ(ｘʂ０)有且有３个零点ꎬ则ａ的取值范围是(㊀㊀).Ａ.３４ꎬ４５æèç]ɣ４３ꎬ３２[öø÷㊀㊀Ｂ.３４ꎬ４５[]ɣ４３ꎬ３２[]Ｃ.１２ꎬ２３æèç]ɣ５４ꎬ３２[öø÷Ｄ.１２ꎬ２３[]ɣ５４ꎬ３２[]图３解㊀ｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ－ａ的零点ꎬ就是方程ｘ[]＝ａｘꎬ(ｘʂ０)的根ꎬ即为函数ｙ＝ｘ[]ꎬｙ＝ａｘꎬ(ｘʂ０)交点的横坐标.作出两函数图象可知选Ａ.例４㊀已知ｘɪＲꎬ符号ｘ[]表示不超过ｘ的最大整数.若函数ｆ(ｘ)＝ｘ－ｍ[]ｘ－ｍꎬ其中ｍɪＮ∗ꎬ则给出以下四个结论其中正确的是(㊀㊀).Ａ.函数ｆ(ｘ)在ｍ＋１ꎬ＋¥()上的值域为１２ꎬ１æèç]Ｂ.函数ｆ(ｘ)图象关于直线ｘ＝ｍ对称Ｃ.函数ｆ(ｘ)在ｍꎬ＋¥()是减函数Ｄ.函数ｆ(ｘ)在ｍ＋１ꎬ＋¥()上的最小值为１２.图４解㊀函数ｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ中ꎬ当０<ｘ<１时ꎬｆ(ｘ)＝０ꎻ当１ɤｘ<２时ꎬｆ(ｘ)＝１ｘꎻ当２ɤｘ<３时ꎬｆ(ｘ)＝２ｘꎻ 函数ｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ在(０ꎬ＋¥)值域是１２ꎬ１æèç]ꎬ将函数ｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ的图象向右平移ｍ个单位得到ｆ(ｘ)＝ｘ－ｍ[]ｘ－ｍ的图像ꎬ故选Ａ.评注㊀熟练地掌握函数ｙ＝ｘ[]ꎬｆ(ｘ)＝ｘ－ｘ[]ꎬｆ(ｘ)＝ｘ[]ｘ的图像ꎬ由图定夺.㊀㊀三㊁有关高斯函数方程题例５㊀解方程５＋６ｘ８[]＝１５ｘ－７５解㊀令１５ｘ－７５＝ｎ(ｎɪＺ)ꎬ则ｘ＝５ｎ＋７１５ꎬ代入原方程得:１０ｎ＋３９４０[]＝ｎꎬ由取整函数的定义有０ɤ１０ｎ＋３９４０－ｎ<１ꎬ解得:－１３０<ｎɤ１３１０ꎬ则ｎ＝０ꎬ１.当ｎ＝０时ꎬ则ｘ＝７１５ꎻ当ｎ＝１时ꎬ则ｘ＝４５.例６㊀解方程１＋ｘ２[]＋３－２ｘ[]＝２解㊀设１＋ｘ２[]＝ｎꎬ３－２ｘ[]＝ｍꎬ则原方程ｎ＋ｍ＝２ꎬ且有ｎɤ１＋ｘ２<ｎ＋１ꎬｍɤ３－２ｘ<ｍ＋１ꎬ即２ｎ－１ɤｘ<２ｎ＋１ꎬ１－ｍ２<ｘɤ３－ｍ２ꎬ结合这两个不等关系ꎬ得１－ｍ２<２ｎ＋１２ｎ－１ɤ３－ｍ２ìîíïïïïꎬ即－ｍ<４ｎ４ｎ<５－ｍ{ꎬ又ｍ＝２－ｎꎬ解得ｎ＝０ꎬｎ＝１ꎬ进而可得ｎ＝０ｍ＝２{ꎬｎ＝１ｍ＝１{ꎬ得到方程的解为０<ｘɤ１２与ｘ＝１.评注㊀型如ａｘ＋ｂ[]＝ｃｘ＋ｄ或ａｘ＋ｂ[]＋ｃｘ＋ｄ[]＝ｅ的方程通常利用取整函数的定义与性质ꎬ结合换元法求解.㊀㊀㊀四㊁有关高斯函数的数列题例７㊀记[ｘ]为不超过实数ｘ的最大整数ꎬ例如ꎬ[２]＝２ꎬ[１.５]＝１ꎬ[－０.３]＝－１.设ａ为正整数ꎬ数列ｘｎ{}满足ｘ１＝ａꎬｘｎ＋１＝[ｘｎ＋[ａｘｎ]２](ｎɪＮ∗)ꎬ现有下列命题:①当ａ＝５时ꎬ数列ｘｎ{}的前３项依次为５ꎬ３ꎬ２ꎻ②对数列ｘｎ{}都存在正整数ｋꎬ当ｎȡｋ时总有ｘｎ＝ｘｋꎻ③当ｎȡ１时ꎬｘｎ>ａ－１ꎻ④对某个正整数ｋꎬ若ｘｋ＋１ȡｘｋꎬ则ｘｎ＝[ａ].其中的真命题有.(写出所有真命题的编号)解㊀当ａ＝５时ꎬｘ１＝ａ＝５ｘ２＝５＋５５２＝３ꎬｘ３＝２５[３＋[５３]２]＝２ꎬ故①正确ꎻ当ａ＝１时ꎬｘ１＝１ꎬｘ２＝ｘ３＝ ＝ｘｎ＝１ꎬ但当ａ＝３时ꎬｘ１＝３ꎬｘ２＝２ꎬｘ３＝１ꎬｘ４＝２ꎬｘ５＝１ꎬｘ６＝２ꎬｘ７＝１ꎬ ꎬ此时可以看出数列ｘｎ{}ꎬ从第二项起是以２为周期重复出现ꎬ不存在正整数ｋꎬ使得当ｎȡｋ时总有ｘｎ＝ｘｋꎬ故②不正确.对于③ꎬｘ１＝ａ>ａ－１成立ꎬ因ｘｎ是整数ꎬ故若ｘｎ＋ａｘｎ[]是正奇数ꎬ则ｘｎ＋１＝ｘｎ＋ａｘｎ[]－１２>ｘｎ＋ａｘｎ－２２ȡ２ａ－１２>ａ－１ꎬ若ｘｎ＋ａｘｎ[]是正偶数ꎬｘｎ＋１＝ｘｎ＋ａｘｎ[]２>ｘｎ＋ａｘｎ－１２ȡ２ａ－１２>ａ－１.综上知③正确.对于④ꎬ由ｘｋ＋１ȡｘｋ得ａｘｋ[]－ｘｋȡ０ꎬａｘｋ－ｘｋȡａｘｋ[]－ｘｋȡ０ꎬｘｋɤａꎻ结合③有ａ－１<ｘｋɤａꎬ因此有ｘｋ＝ａ[]ꎬ④正确.综上知真命题是①③④.评注㊀本题借用取整函数ꎬ构造一个新数列ꎬ主要考查数列知识的灵活应用和推理论证能力.本题是取整函数(高斯函数)与数列二者交汇而成ꎬ设计新颖ꎬ构思精妙ꎬ难度较大.解此类题的关键是理解函数ｘ[]的意义.㊀㊀参考文献:[１]蒋孝国.数学竞赛中的高斯函数[Ｊ].数学通讯ꎬ２０１５(１９):４５－４８.[责任编辑:李㊀璟]点差法的基本原理及其在高考数学中的简单应用武增明(云南省玉溪第一中学㊀６５３１００)摘㊀要:本文给出点差法的基本原理和点差法的简单应用ꎬ与同仁及同学们共飨.关键词:点差法ꎻ圆锥曲线ꎻ解题研究中图分类号:Ｇ６３２㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０３３３(２０２１)０４－００５３－０３收稿日期:２０２０－１１－０５作者简介:武增明(１９６５.５－)ꎬ男ꎬ云南省玉溪市易门人ꎬ本科ꎬ中学高级教师ꎬ从事高中数学教学研究.㊀㊀一㊁点差法的基本原理在研究直线被圆锥曲线截得中点弦问题时ꎬ设出弦端点坐标ꎬ并分别代入圆锥曲线方程得两式ꎬ将其两式相减ꎬ可得弦的斜率与弦的中点坐标之间的关系式ꎬ这种解题方法叫做点差法.如ꎬ圆锥曲线ｍｘ２＋ｎｙ２＝１(ｍꎬｎɪＲꎬ且ｍʂ０ꎬｎʂ０ꎬ)上两点ＰꎬＱꎬ设Ｐ(ｘ１ꎬｙ１)ꎬＱ(ｘ２ꎬｙ２)ꎬ弦ＰＱ的中点Ｍ(ｘ０ꎬｙ０)ꎬ弦ＰＱ的斜率为ｋꎬ则ｍｘ２１＋ｎｙ２１＝１ꎬ①ｍｘ２２＋ｎｙ２２＝１ꎬ②{由①－②ꎬ得ｍ(ｘ１＋ｘ２)(ｘ１－ｘ２)＋ｎ(ｙ１＋ｙ２)(ｙ１－ｙ２)＝０ꎬ又ｘ１＋ｘ２＝２ｘ０ꎬｙ１＋ｙ２＝２ｙ０ꎬｙ１－ｙ２ｘ１－ｘ２＝ｋ(ｘ１ʂｘ２)ꎬ于是ｍｘ０＋ｎｋｙ０＝０ꎬ这一等式建立了圆锥曲线弦的斜率与弦的中点坐标之间的关系式.㊀㊀二㊁点差法的简单应用与弦中点相关的问题有三种ꎬ一是平行弦的中点轨迹ꎻ二是过定点的弦的中点轨迹ꎻ三是过定点且被定点平分的弦所在直线方程.其他问题都是由这三类问题衍生出来的.１.已知弦中点坐标简求弦所在直线方程此类问题是点差法的最基本的简单应用.例１㊀(２００２年高考江苏卷 文理２０)设ＡꎬＢ是双曲线ｘ２－ｙ２２＝１上的两点ꎬ点Ｎ(１ꎬ２)是线段ＡＢ的中点.３５。

数学竞赛中的数论问题 罗增儒引言数论的认识：数论是关于数的学问，主要研究整数，重点对象是正整数，对中学生可以说，数论是研究正整数的一个数学分支．什么是正整数呢？人们借助于“集合”和“后继”关系给正整数（当时也即自然数）作过本质的描述，正整数1，2，3，…是这样一个集合N +：（1）有一个最小的数1．（2）每一个数a 的后面都有且只有一个后继数/a ；除1之外，每一个数的都是且只是一个数的后继数．这个结构很像数学归纳法，事实上，有这样的归纳公理：（3）对N +的子集M ，若1M ∈，且当a M ∈时，有后继数/a M ∈，则M N +=．就是这么一个简单的数集，里面却有无穷无尽的奥秘，有的奥秘甚至使得人们怀疑：人类的智慧还没有成熟到解决它的程度．比如，哥德巴赫猜想：1742年6月7日，普鲁士派往俄国的一位公使哥德巴赫写信给欧拉，提出“任何偶数，由4开始，都可以表示为两个素数和的形式，任何奇数，由7开始，都可以表示为三个素数的和．后者是前者的推论，也可独立证明（已解决）．“表示为两个素数和的形式”就是著名的哥德巴赫猜想，简称1+1．欧拉认为这是对的，但证不出来．1900年希尔伯特将其归入23个问题中的第8个问题． 1966年陈景润证得：一个素数+素数⨯素数（1+2），至今仍无人超越． ●陈景润的数学教师沈元很重视利用名人、名言、名事去激励学生，他曾多次在开讲时，说过这样的话:“自然科学的皇后是数学，数学的皇冠是数论，哥德巴赫猜想则是皇冠上的明珠．……”陈景润就是由此而受到了启示和激励，展开了艰苦卓绝的终生奋斗和灿烂辉煌的奋斗终生，离摘取“皇冠上的明珠”仅一步之遥．●数论题涉及的知识不是很多，但用不多的知识来解决问题往往就需要较强的能力和精明多的技巧，有人说：用以发现数学人才，在初等数学中再也没有比数论教材更好的课程了．任何学生如能把当今一本数论教材中的练习做出，就应当受到鼓励，劝他（她）将来去从事数学方面的工作（U ．Dudley 《数论基础》前言）．下面，是一个有趣的故事．当代最高产的数学家厄尔多斯听说一个叫波萨（匈牙利，1948）的小男孩很聪明，就问了他一个问题加以考察（1959）：如果你手头上有1n +个正整数，这些正整数小于或等于2n ，那么你一定有一对整数是互素的，你知道这是什么原因吗？不到12岁的波萨只用了1分半钟，就给出了问题的解答．他将1～2n 分成（1，2），（3，4），…，（21,2n n -）共n 个抽屉，手头的1n +个正整数一定有两个属于同一抽屉，这两个数是相邻的正整数，必定互素．通过这个问题，厄尔多斯认定波萨是个难得的英才，就精心加以培养，不到两年，14岁的波萨就发表了图论中“波萨定理”．●重视数学能力的数学竞赛，已经广泛采用数论题目，是数学竞赛四大支柱之一，四大支柱是：代数，几何，初等数论，组合初步（俗称代数题、几何题、算术题和智力题）．高中竞赛加试四道题正好是四大模块各一题，分别是几何题、代数题、数论题、组合题，一试中也会有数论题．数论受到数学竞赛的青睐可能还有一个技术上的原因，就是它能方便地提供从小学到大学各个层面的、新鲜而有趣的题目．数论题的主要类型：在初中竞赛大纲中，数论的内容列有：十进制整数及表示方法；整除性，被2、3、4、5、8、9、11等数整除的判定；素数和合数，最大公约数与最小公倍数；奇数和偶数，奇偶性分析；带余除法和利用余数分类；完全平方数；因数分解的表示法，约数个数的计算；简单的一次不定方程．在高中竞赛大纲中，数论的内容列有：同余，欧几里得除法，裴蜀定理，完全剩余类，二次剩余，不定方程和方程组，高斯函数[x]，费马小定理，格点及其性质，无穷递降法，欧拉定理*，孙子定理*．根据已出现的试题统计，中学数学竞赛中的数论问题的主要有8个重点类型：（1）奇数与偶数（奇偶分析法、01法）；（2）约数与倍数、素数与合数；（3）平方数；（4）整除；（5）同余；（6）不定方程；ϕ欧拉函数；（7）数论函数、[]x高斯函数、()n（8）进位制（十进制、二进制）．下面，我们首先介绍数论题的基本内容（10个定义、18条定理），然后，对数学竞赛中的数论问题作分类讲解．第一讲 数论题的基本内容中学数学竞赛中的数论问题涉及的数论内容主要有10个定义、18条定理． 首先约定，本文中的字母均表示整数．定义1 （带余除法）给定整数,,0,a b b ≠如果有整数(),0q r r b ≤<满足 a qb r =+，则q 和r 分别称为a 除以b 的商和余数．特别的，0r =时，则称a 被b 整除，记作b a ，或者说a 是b 的倍数，而b 是a 的约数．（,q r 的存在性由定理1证明）定义2 （最大公约数）设整数12,,,n a a a 中至少有一个不等于零，这n 个数的最大公约数是能整除其中每一个整数的最大正整数，记作()12,,,n a a a ．()12,,,n a a a 中的i a 没有顺序，最大公约数也称最大公因数．简单性质：()()1212,,,,,,n n a a a a a a =．一个功能：可以把对整数的研究转化为对非负整数的研究． 定义3 （最小公倍数）非零整数12,,,n a a a 的最小公倍数是能被其中每一个()1i a i n ≤≤所整除的最小正整数，记作[]12,,,n a a a ．简单性质：如果k 是正整数,a b 的公倍数，则存在正整数m 使[],k m a b =证明 若不然，有[],k m a b r =+（[]0,r a b <<），由[],,k a b 都是,a b 的公倍数得r也是,a b 的公倍数，但[]0,r a b <<，与[],a b 的最小性矛盾．故[],k m a b =．定义4 如果整数,a b 满足(),1a b =，则称a 与b 是互素的（也称互质）．定义5 大于1且除1及其自身外没有别的正整数因子的正整数，称为素数（也称质数）．其余大于1的正整数称为合数；数1既不是素数也不是合数．定理1 若,a b 是两个整数，0b >，则存在两个实数,q r ，使()0a qb r r b =+≤<，并且,q r 是唯一性．证明1 先证存在性．作序列,3.2,,0,,2,3,b b b b b b ---则a 必在上述序列的某两项之间，从而存在一个整数q ，使()1qb a q b ≤<+，即 0a qb b ≤-<， 取 r a qb =-， 0r b ≤<， 得 a qb r =+，即存在两个实数,q r ，使()0a qb r r b =+≤<． 再证唯一性．假设不唯一，则同时存在11,q r 与12,q r ，使 ()1110a q b r r b =+≤<， ()2220a q b r r b =+≤<， 相减 ()1221q q b r r -=-， 1221q q b r r b -=-<， 1201q q ≤-<，但12q q -为整数，故120q q -=，得12q q =，从而12r r =．注：如果取消0r b ≤<，当0r <或r b >，不保证唯一．经典方法：紧扣定义，构造法证存在性，反证法证唯一性． 证明2 只证存在性，用高斯记号，由 01a a b b ⎡⎤≤-<⎢⎥⎣⎦， 有 0a a b b b⎡⎤≤-<⎢⎥⎣⎦，记a r a b b⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦，故存在,,0a a q r a b r b b b ⎡⎤⎡⎤==-≤<⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦使()0a qb r r b =+≤<．证明3 只证存在性，作集合{}|,0M a bx x Z a bx =-∈-≥这是一个有下界的非空整数集，其中必有最小的，设x q =时，有最小值r ()0r ≥ a qb r =+．再证r b <，若不然，r b ≥，记1r b r =+，有()()111a qb r qb b r b q r =+=++=++()11r a b q M =-+∈即M 有1r 比r 更小，这与r 为最小值矛盾． 故存在两个实数,q r ，使()0a qb r r b =+≤<．定理 2 设,,a b c 是三个不全为0的整数，满足a qb c =+，其中q 也为整数，则()(),,a b b c =．证明 设A =｛,a b 的公约数｝， B =｛,b c 的公约数｝．任取||||d a d c a bqd A d B A B d b d b=-⎧⎧∈⇒⇒⇒∈⇒⊆⎨⎨⎩⎩， 任取||||d b d bd B d A B A d c d a bq c ⎧⎧∈⇒⇒⇒∈⇒⊆⎨⎨=+⎩⎩，得 A B =．有A 中元素的最大值B =中元素的最大值，即()(),,a b b c =．注：这是辗转相除法求最大公约数的理论基础．经典方法：要证明A B =，只需证A B ⊆且B A ⊆． 定理3 对任意的正整数,a b ，有 ()[],,a b a b ab ⋅=．证明 因为ab 是,a b 的公倍数，所以,a b 的最小公倍数也是ab 的约数，存在q 使 [],ab q a b =，有[],a b a q b=且[],a b b为整数，故q 是a 的约数．同理q 是b 的约数，即q 是,a b 的公约数．下面证明，q 是,a b 的最大公约数．若不然，(),q a b <．有[]()[],,,ab q a b a b a b =<． ①设()(),,ab b k a a b a b ==，可见k 是a 的倍数，同样()(),,ab ak b a b a b ==，k 是b 的倍数，即k 是,a b 的公倍数，则存在正整数m 使[],k ma b =，有()[][],,,abm a b a b a b =≥， 得 []()[],,,ab q a b a b a b =≥与①矛盾，所以，(),q a b =，得证()[],,a b a b ab ⋅=．注 也可以由[]()(),1,,ab a b k q m ab a b a b q≤===，得(),q a b ≥，与(),q a b <矛盾．两步[](),,,ab q a b ab a b k ==可以交换吗？定理4 ,a b 是两个不同时为0的整数，若00ax by +是形如ax by +（,x y 是任意整数）的数中的最小正数，则（1）00ax by +|ax by +； （2）00ax by +(),a b =． 证明 （1）由带余除法有()00ax by ax by q r +=++，000r ax by ≤<+， 得 ()()0000r a x qx x b y qy ax by =-+-<+，知r 也是形如ax by +的非负数，但00ax by +是形如ax by +的数中的最小正数，故0r =，即00ax by +|ax by +．（2）由（1）有00ax by +|10a b a +=， 00ax by +|01a b b +=，得00ax by +是,a b 的公约数．另一方面，,a b 的每一个公约数都可以整除00ax by +，所以00ax by +是,a b 的最大公约数，00ax by +(),a b =．推论 若(),1a b =，则存在整数,s t ，使1as bt +=．（很有用） 定理5 互素的简单性质： （1）()1,1a =． （2）(),11n n +=． （3）()21,211n n -+=．（4）若p 是一个素数，a 是任意一个整数，且a 不能被p 整除，则(),1a p =． 证明 因为(),|a p p ，所以，素数p 的约数只有两种可能：()(),1,,a p a p p ==．但a 不能被p 整除，(),a p p ≠，得(),1a p =．推论 若p 是一个素数，a 是任意一个整数，则(),1a p =或(),a p p =． （5）若(),1a b =，则存在整数,s t ，使1as bt +=．（定理4推论） （6）若()(),1,,1a b a c ==，则(),1a bc =． 证明 由(),1a b =知存在整数,s t ，使1as bt +=． 有 ()a cs bct c +=， 得 ()(),,1a bc a c ==．（7）若(),1a b =，则(),1a b a ±=，(),1a b b ±=， (),1a b ab ±=． 证明 ()()(),,,1a b a b a b a ±=±==， ()(),,1a b b a b ±==， 由（6）(),1a b ab ±=．（8）若(),1a b =，则(),1m na b =，其中,m n 为正整数． 证明 据（6），由(),1a b =可得(),1ma b =．同样，由(),1m a b =可得(),1m na b =．定理6 设a 是大于1的整数，则a 的除1之外的最小的正约数q 必是素数，且当a 是合数时，q ≤证明 用反证法，假设q 不是素数，则存在正整数数1q ，11q q <<，使1|q q ，但|q a ，故有1|q a ，这与q 是a 的除1之外的最小正约数矛盾，故q 是素数．当a 是合数时，设1a a q =，则1a 也是a 的一个正约数，由q 的最小性得1q a ≤，从而21q a q a ≤=，开方得q ≤定理7 素数有无穷多个，2是唯一的偶素数． 证明 假设素数只有有限多个，记为12,,,n p p p ，作一个新数1211n p p p p =+>．若p 为素数，则与素数只有 n 个12,,,n p p p 矛盾．若p 为合数，则必有{}12,,,i n p p p p ∈，使|i p p ，从而|1i p ，又与1i p >矛盾．综上所述，素数不能只有有限多个，所以素数有无穷多个． 2是素数，而大于2的偶数都是合数，所以2是唯一的偶素数．注：这个证明中，包含着数学归纳法的早期因素：若假设有n 个素数，便有1n +个素数．（构造法、反证法）秒定理8（整除的性质）整数,,a b c 通常指非零整数 （1）1a ，1|a -；当0a ≠时，|a a ，|0a ．（2）若b a ，0a ≠，则b a ≤;若b a ，b a >，则0a =;若0ab >，且,b a a b ，则a b =．证明 由b a ，0a ≠，有a bq =，得a b q b =≥． 逆反命题成立“若b a ，b a >，则0a =”; 由b a ≤且b a ≥得a b =，又0ab >，得a b =． （3）若a b c d +=+，且|,|,|e a e b e c ，则|e d ． （4）若c b ，b a ，则c a ． 证明 （定义法）由c b ，b a ，有 12,b q c a q b ==， 得 ()12a q q c =，即 c a ．（5）若c a ，则bc ab ．（6）若c a ，c b ，则对任意整数,m n ，有c ma nb +． 证明 （定义法）由c a ，c b ，有 12,a q c b q c ==， 得 ()12ma nb mq nq c +=+， 即 c ma nb +．（7）若(),1a b =，且a bc ，则a c ．证明 由(),1a b =知存在整数,s t ，使1as bt +=，有()()a cs bc t c +=，因为a a ，a bc ，所以a 整除等式的左边，进而整除等式的右边，即a c ．注意 不能由a bc 且|a b /得出a c ．如649⨯，但6|4/且6|9/． （8）若(),1a b =，且,a c b c ，则ab c ．证明 由(),1a b =知存在整数,s t ，使1as bt +=，有acs bct c +=，又由,a c b c 有12,c aq c bq ==代入得()()21ab q s ab q t c +=，所以ab c ．注意 不能由a c 且b c 得出ab c ．如不能由630且10|30得出60|30． （9）若a 为素数，且a bc ，则a b 或a c ．证明 若不然，则|a b /且|a c /，由a 为素数得()(),1,,1a b a c ==，由互素的性质（6）得(),1a bc =，再由a 为素数得|a bc /，与a bc 矛盾．注意 没有a 为素数，不能由a bc 推出a b 或a c ．如649⨯，但6|4/且6|9/．定义6 对于整数,,a b c ，且0c ≠，若()c a b -，则称,a b 关于模c 同余，记作(mod )a b c ≡；若()|c a b -/，则称,a b 关于模c 不同余，记作a(mod )b c ．定理9（同余的性质）设,,,,a b c d m 为整数，0,m > （1）若(mod )a b m ≡且(mod )b c m ≡，则(mod )a c m ≡； 证明 由(mod )a b m ≡且(mod )b c m ≡，有 12,a b mq b c mq -=-=，()12a c m q q -=+，得(mod )a c m ≡．（2）若(mod )a b m ≡且(mod )c d m ≡，则(m o d )a c b d m +≡+且(mod )ac bd m ≡．证明 由(mod )a b m ≡且(mod )c d m ≡，有12,a b mq c d mq -=-=， ① 对①直接相加 ，有()()()12a c b d m q q +-+=+，得 (mod )a c b d m +≡+.对①分别乘以,c b 后相加，有()()()12ac bd ac bc bc bd m cq bq -=---=+，得 (mod )ac bd m ≡．（3）若(mod )a b m ≡，则对任意的正整数n 有(mod )nna b m =且(mod )an bn mn ≡. （4）若(mod )a b m ≡，且对非零整数k 有(,,)k a b m ，则mod a b m k k k ⎛⎫= ⎪⎝⎭． 证明 由(mod )a b m ≡、，有 a b mq =+， 又(,,)k a b m ，有,,a b mk k k均为整数，且a b mq k k k=+， 得mod a b m k k k ⎛⎫≡ ⎪⎝⎭． 定理10 设,a b 为整数，n 为正整数，（1）若a b ≠，则()()n na b a b --．()()123221n n n n n n n a b a b a a b a b ab b ------=-+++++．（2）若a b ≠-，则()()2121n n a b ab --++．()()212122232422322n n n n n n n a b a b a a b a b ab b -------+=+-+--+．（3）若a b ≠-，则()()22nn a b ab +-．()()2221222322221n n n n n n n a b a b a a b a b ab b ------=+-+-+-．定义7 设n 为正整数，k 为大于2的正整数, 12,,,m a a a 是小于k 的非负整数，且10a >．若12121m m m m n a k a k a k a ---=++++，则称数12m a a a 为n 的k 进制表示．定理11 给定整数2k ≥，对任意的正整数n ，都有唯一的k 进制表示．如12121101010m m m m n a a a a ---=++++，109,0i a a ≤≤>（10进制） 12121222m m m m n a a a a ---=++++．101,0i a a ≤≤>（２进制）定理12 （算术基本定理）每个大于1的正整数都可分解为素数的乘积，而且不计因数的顺序时，这种表示是唯一的1212k k n p p p ααα=，其中12k p p p <<<为素数，12,,,k ααα为正整数． （分解唯一性）证明1 先证明，正整数n 可分解为素数的乘积12m n p p p =． ①如果大于1的正整数n 为素数，命题已成立．当正整数n 为合数时，n 的正约数中必有一个最小的，记为1p ，则1p 为素数，有11n p a =，11a n <<．如果1a 为素数，命题已成立．当1a 为合数时，1a 的最小正约数2p 为必为素数，有11122n p a p p a ==，211a a n <<<．这个过程继续进行下去，由于n 为有限数，而每进行一步i a 就要变小一次，于是，经过有限次后，比如m 次，n 就变为素数的乘积12m n p p p =．下面证明分解式是唯一的．假设n 还有另一个分解式 12t n q q q =， ② 则有 1212m t p p p q q q =． ③因为等式的右边能被1q 整除，所以左边也能被1q 整除，于是1q 整除12,,,m p p p 中的某一个i p ，但i p 为素数，所以i p 与1q 相等，不妨设i p 为1p ，有11p q =．把等式③两边约去11p q =，得 2323m t p p p q q q =．再重复上述步骤，又可得22p q =，33p q =，…，直到等式某一边的因数被全部约完，这时，如果另一边的因数没有约完，比如右边没有被约完（m t <），则有121m m t q q q ++=． ④但12,,,m m t q q q ++均为素数，素数都大于1，有121m m t q q q ++>，这表明等式④不可能成立，两个分解式的因数必然被同时约完，即分解式是唯一的． 将分解式按i p 的递增排列，并将相同的i p 合并成指数形式，即得1212k k n p p p ααα=．其中12k p p p <<<为素数，12,,,k ααα为正整数．证明2 用第二数学归纳法证明12m n p p p =，12m p p p ≤≤≤．（1）当2n =，因为2为素数，命题成立．（2）假设命题对一切大于1而小于n 的正整数已成立． 这时，若n 为素数，命题成立；若n 不为素数，必存在,a b ，使 n ab =，1,1a n b n <<<<， 由归纳假设，小于n 的,a b 可分解为素数的乘积//////1212//////1212, ,, ,s s s s t s s ta p p p p p pb p pp pp p ++++=≤≤≤=≤≤≤得 //////1212s s s t n p p p q q q ++=，适当调整/i p 的顺序，可得命题对于正整数n 成立．由数学归纳法，命题对一切大于1的正整数n 成立．下面证明分解式是唯一的．假设n 的分解式不唯一，则至少有两个分解式12m n p p p =，12m p p p ≤≤≤， 12t n q q q =，12t q q q ≤≤≤，得 1212m t p p p q q q =．有 112|t p q q q 且112|m q p p p ，这就存在,i j q p ，使1|i p q 且1|j q p ，但11,,,i j p q q p 均为为素数，所以11,i j p q q p ==，又 111i j p q q p p =≥=≥， 所以 11p q =．把等式两边约去11p q =，得 2323m t p p p q q q =．再重复上述步骤，又可得22p q =，33p q =，…，直到等式某一边的因数被全部约完，这时，如果另一边的因数没有约完，比如右边没有被约完（m t <），则有121m m t q q q ++=．但12,,,m m t q q q ++均为素数，素数都大于1，有121m m t q q q ++>，这表明上述等式不可能成立，两个分解式的因数必然被同时约完，即分解式是唯一的． 将分解式按i p 的递增排列，并将相同的i p 合并成指数形式，即得1212k k n p p p ααα=．其中12k p p p <<<为素数，12,,,k ααα为正整数．定理13 若正整数n 的素数分解式为 1212k k n p p p ααα=则n 的正约数的个数为()()()()12111k d n a a a =+++，n 的一切正约数之和为()121111212111111k k k p p p S n p p p ααα+++---=⋅⋅⋅---． 证明 对于正整数1212k k n p p p ααα=，它的任意一个正约数可以表示为1212k k m p p p βββ=，0i i βα≤≤ ， ①由于i β有0,1,2,,i α共1i α+种取值，据乘法原理得n 的约数的个数为()()()()12111k d n a a a =+++．考虑乘积()()()1201010*******k k k k p p p p p p pp p ααα+++++++++，展开式的每一项都是n 的某一个约数（参见①），反之，n 的每一个约数都是展开式的某一项，于是，n 的一切约数之和为()()()110101111k k k S n p p p pp p αα=++++++121111212111111k k k p p p p p p ααα+++---=⋅⋅⋅---． 注 构造法．定义8 （高斯函数）对任意实数x ，[]x 是不超过x 的最大整数．亦称[]x 为x 的整数部分，[][]1x x x ≤<+．定理14 在正整数!n 的素因子分解式中，素数p 作为因子出现的次数是23n n n p p p ⎡⎤⎡⎤⎡⎤+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦．证明 由于p 为素数，故在!n 中p 的次方数是1,2,,n 各数中p 的次方数的总和（注意，若p 不为素数，这句话不成立）．在1,2,,n 中，有n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个p 的倍数；在n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个p 的倍数的因式中，有2n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个2p 的倍数；在2n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个2p 的倍数的因式中，有3n p ⎡⎤⎢⎥⎣⎦个3p 的倍数；…，如此下去，在正整数!n 的素因子分解式中，素数p 作为因子出现的次数就为23n n n p p p ⎡⎤⎡⎤⎡⎤+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦．注 省略号其实是有限项之和． 画线示意50!中2的指数．35678912450!23571113171923293137414347ααααααααα=定理15 （费玛小定理）如果素数p 不能整除整数a ，则()11p p a --．证明1 考察下面的1p -个等式： 11a pq r =+，10r p ≤<，222a pq r =+，20r p ≤<……()111p p p a pq r ---=+，10p r p -≤<由于素数p 不能整除整数a ，所以，p 不能整除每个等式的左边，得121,,,p r r r -均不为0，只能取1,2,,1p -．下面证明121,,,p r r r -各不相等．若不然，存在,,11t s t s p ≤<≤-，使,,,s s t t s t sa pq r ta pq r r r =+=+=相减 ()()s t s t a p q q -=-．应有素数p 整除()s t a -，但素数p 不能整除a ，所以素数p 整除()s t -，然而由11t s p ≤<≤-可得02s t p p <-≤-<， 要素数p 整除()s t -是不可能的，得121,,,p r r r -各不相等．有()()1211211!p rr r p p -=-=-．再把上述1p -个等式相乘，有 ()11211!p p p aMp rr r ---=+，即 ()()11!1!p p a Mp p --=+-，其中M 是一个整数．亦即 ()()11!1p p a Mp ---=．由于p 是素数，不能整除()1!p -，所以素数p 整除11p a --，得证()11p p a--证明2 改证等价命题：如果素数p 不能整除整数a ，则()mod pa a p ≡．只需对1,2,,1a p =-证明成立，用数学归纳法．（1）1a =，命题显然成立．（2）假设命题对()11a k k p =≤<-成立，则当1a k =+时，由于()|1,2,,1i p p C i p =-，故有()11111pp p p p p k k C k C k --+=++++()11mod pk k p ≡+≡+．（用了归纳假设）这表明，命题对1a k =+是成立． 由数学归纳法得()mod pa a p ≡．又素数p 不能整除整数a ，有(),1a p =，得()11p p a --．定义9 （欧拉函数）用()n ϕ表示不大于n 且与n 互素的正整数个数． 定理16 设正整数1212k k n p p p ααα=，则()12111111k n n p p p ϕ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=--- ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭．证明 用容斥原理．设{}1,2,,S n =，记i A 为S 中能被i p 整除的数所组成的集合（1,2,i k =），用i A 表示i A 中元素的个数，有 i inA p =，1212,,i j k i jkn n A A A A A p p p p p ==．易知，{}1,2,,S n =中与n 互素的正整数个数为12k A A A ，由容斥原理得()12111211k i i ji ki j kkijm k i j m kA A A S A A A A A A A A A ≤≤≤<≤≤<<≤=-+-++-∑∑∑()()1111211112121111*********.ki ki j k i j m k i i j i j mk ki ki j k i j m k i i j i j mk k n n nn n p p p p p p p p p n p p p p p p p p p n p p p ≤≤≤<≤≤<<≤≤≤≤<≤≤<<≤=-+-++-⎡⎤=-+-++-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎛⎫⎛⎫⎛⎫=--- ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭∑∑∑∑∑∑ 注 示意3n =的容斥原理．推论 对素数p 有()()11,p p p p p αααϕϕ-=-=-．定理17 整系数不定方程ax by c +=（0ab ≠）存在整数解的充分必要条件是(),a b c ．证明 记(),d a b =．（1）必要性（方程有解必须满足的条件）．若方程存在整数解，记为00,,x x y y =⎧⎨=⎩，则00ax by c +=，由|,|d a d b ， 有00|d ax by +，得证(),|a b c ．（2）充分性（条件能使方程有解）．若|d c ，可设c de =由于形如ax by +的数中有最小正数00ax by +满足00ax by +(),a b =．两边乘以e ，得()()00a ex b ey c +=这表明方程有解00,.x ex y ey =⎧⎨=⎩定理18 若0ab ≠,(),1a b =，且00,,x x y y =⎧⎨=⎩是整系数不定方程ax by c +=的一个整数解，则方程的一切整数解可以表示为00,,x x bt y y at =-⎧⎨=+⎩()t Z ∈． ①证明 直接代入知①是方程的整数解，下面证明任意一个整数解都有①的形式. 由()00,x y 是方程的一个解，有00ax by c +=，又方程的任意一个解(),x y 满足ax by c +=， ② 相减 ()()000a x x b y y -+-=． ③ 但(),1a b =，故有 ()0|a y y -， 有00,x x y y t t Z b a--==∈- 得方程的任意一个整数解可以表示为00,,x x bt y y at =-⎧⎨=+⎩()t Z ∈．定义10 （平面整点）在平面直角坐标系上，纵横坐标都是整数的点称为整点（也称格点）．类似地可以定义空间整点．第二讲 数论题的范例讲解主要讲几个重要类型：奇数与偶数，约数与倍数（素数与合数），平方数，整除，同余，不定方程，数论函数等．重点是通过典型范例来分析解题思路、提炼解题方法和巩固基本内容．一、奇数与偶数整数按照能否被2整除可以分为两类，一类余数为0，称为偶数，一类余数为1，称为奇数．偶数可以表示为2n ，奇数可以表示为21n -或21n +．一般地，整数被正整数m 去除，按照余数可以分为m 类，称为模m 的剩余类(){}mod i C x x i m =≡，从每类中各取出一个元素i i a C ∈，可得模m 的完全剩余系（剩余类派出的一个代表团），0,1,2,,1m -称为模m 的非负最小完全剩余系.通过数字奇偶性质的分析而获得解题重大进展的技巧，常称作奇偶分析，这种技巧与分类、染色、数字化都有联系，在数学竞赛中有广泛的应用． 关于奇数和偶数，有下面的简单性质：（1）奇数≠偶数．（2）偶数的个位上是0、2、4、6、8；奇数的个位上是1、3、5、7、9． （3）奇数与偶数是相间排列的；两个连续整数中必是一个奇数一个偶数；． （4）奇数个奇数的和是奇数；偶数个奇数的和是偶数；偶数跟奇数的和是奇数；任意多个偶数的和是偶数．（5）除2外所有的正偶数均为合数；（6）相邻偶数的最大公约数为2，最小公倍数为它们乘积的一半． （7）偶数乘以任何整数的积为偶数．（8）两数和与两数差有相同的奇偶性，()mod 2a b a b +≡-． （9）乘积为奇数的充分必要条件是各个因数为奇数． （10）n 个偶数的积是2n的倍数．（11）()11k-=的充分必要条件是k 为偶数，()11k-=-的充分必要条件是k 为奇数．（12）()()()()()()22220mod 4,211mod 4,211mod8n n n ≡-≡-≡． （13）任何整数都可以表示为()221mn k =-．……例1 （1906，匈牙利）假设12,,,n a a a 是1,2,,n 的某种排列，证明：如果n 是奇数，则乘积()()()1212n a a a n ---是偶数．解法1 （反证法）假设()()()1212n a a a n ---为奇数，则i a i -均为奇数，奇数个奇数的和还是奇数奇数=()()()1212n a a a n -+-++-()()12120n a a a n =+++-+++=，这与“奇数≠偶数”矛盾． 所以()()()1212n a a a n ---是偶数．评析 这个解法说明()()()1212n a a a n ---不为偶数是不行的，但没有指出为偶数的真正原因．体现了整体处理的优点，但掩盖了“乘积”为偶数的实质．解法2 （反证法）假设()()()1212n a a a n ---为奇数，则i a i -均为奇数，i a 与i 的奇偶性相反，{}1,2,,n 中奇数与偶数一样多，n 为偶数．但已知条件n 为奇数，矛盾． 所以()()()1212n a a a n ---是偶数．评析 这个解法揭示了()()()1212n a a a n ---为偶数的原因是“n 为奇数”．那么为什么“n 为奇数”时“乘积”就为偶数呢？解法3 121,2,,,,,,n n a a a 中有1n +个奇数，放到n 个括号，必有两个奇数在同一个括号，这两个奇数的差为偶数，得()()()1212n a a a n ---为偶数．评析 这个解法揭示了()()()1212n a a a n ---为偶数的原因是“当n 为奇数时，1,2,,n 中奇数与偶数个数不等，奇数多，某个括号必是两个奇数的差，为偶数”． 类似题：例1-1（1986，英国）设127,,,a a a 是整数，127,,,b b b 是它们的一个排列，证明()()()112277a b a b a b ---是偶数．（127,,,a a a 中奇数与偶数个数不等）例1-2 π的前24位数字为 3.14159265358979323846264π=，记1224,,,a a a 为该24个数字的任一排列，求证()()()12342324a a a a a a ---必为偶数．（暗藏3,1,4,1,5,9,2,6,5,3,5,8,9,7,9,3,2,3,8,4,6,2,6,4中奇数与偶数个数不等） 例2 能否从1,2,,15中选出10个数填入图的圆圈中，使得每两个有线相连的圈中的数相减（大数减小数），所得的14个差恰好为1,2,,14？解 考虑14个差的和S ，一方面1214105S =+++=为奇数．另一方面，每两个数,a b 的差与其和有相同的奇偶性 (mod2)a b a b -≡+，因此，14个差的和S 的奇偶性与14个相应数之和的和/S 的奇偶性相同，由于图中的每一个数a 与2个或4个圈中的数相加，对/S 的贡献为2a 或4a ，从而/S 为偶数，这与S 为奇数矛盾，所以不能按要求给图中的圆圈填数．评析：用了计算两次的技巧．对同一数学对象，当用两种不同的方式将整体分为部分时，则按两种不同方式所求得的总和应是相等的，这叫计算两次原理成富比尼原理．计算两次可以建立左右两边关系不太明显的恒等式．在反证法中，计算两次又可用来构成矛盾．例3 有一大筐苹果和梨分成若干堆，如果你一定可以找到这样的两堆，其苹果数之和与梨数之和都是偶数，问最少要把这些苹果和梨分成几堆？解 （1）4堆是不能保证的．如4堆的奇偶性为：（反例） （奇奇），（偶偶），（奇偶），（偶奇）．（2）5堆是可以保证． 因为苹果和梨数的奇偶性有且只有上述4种可能，当把这些苹果和梨分成5堆时，必有2堆属于同一奇偶性，其和苹果数与梨数都是偶数．例4 有n 个数121,,,,n n x x x x -，它们中的每一个要么是1，要么是1-．若1223110n n n x x x x x x x x -+++++=，求证4|n ． 证明 由{}1,1i x ∈-，有{}11,1i i x x +∈-，再由1223110n n n x x x x x x x x -+++++=，知n 个1i i x x +中有一半是1，有一半是1-，n 必为偶数，设2n k =．现把n 个1i i x x +相乘，有 2222122311121(1)(1)1k k n n n n n x x x x x x x x x x x x ---+===，可见，k 为偶数，设2k m =，有4n m =，得证4|n ．例5 n 个整数121,,,,n n a a a a -，其积为n ，其和为0，试证4|n ．证明 先证n 为偶数，若不然，由121n n a a a a n -=知，121,,,,n n a a a a -全为奇数，其和必为奇数，与其和为0（偶数），故n 必为偶数．（121,,,,n n a a a a -中至少有1个偶数）再证n 为4的倍数，若不然，由n 为偶数知，121,,,,n n a a a a -恰有一个为偶数，其余1n -个数全为奇数，奇数个奇数之和必为奇数，加上一个偶数，总和为奇数，与121,,,,n na a a a -之和为0矛盾，所以，n 为4的倍数，4|n ．（121,,,,n n a a a a -中至少有2个偶数）评析 要证4|n ，只须证121,,,,n n a a a a -中至少有2个偶数，分两步，第一步证至少有1个偶数，第二步证至少有2个偶数．例6 在数轴上给定两点1内任取n 个点，在此2n +个点中，每相邻两点连一线段，可得1n +条互不重叠的线段，证明在此1n +条线段中，以一个有理点和一个无理点为端点的线段恰有奇数条．证明 将2n +个点按从小到大的顺序记为122,,,n A A A +…，并在每一点赋予数值i a ，使1, 1,i i i A a A ⎧=⎨-⎩当为有理数点时，　当为无理数点时. 与此同时，每条线段1i i A A +也可数字化为1i i a a +（乘法）1111,, 1,,i i i i i i A A a a A A +++-⎧=⎨⎩　当一为有理数点，另一为无理数时， 当同为有理数点或无理数点时,记11i i a a +=-的线段有k 条，一方面112233412()()()()(1)(1)(1)k n k k n n a a a a a a a a -+++=-+=-…另一方面 12233412()()()()n n a a a a a a a a ++… 21231212()1n n n a a a a a a a -++===-…， 得()11k-=-，故k 为奇数． 评析 用了数字化、奇偶分析的技巧． 二、约数与倍数最大公约数与最小公倍数的求法． （1）短除法．（2）分解质因数法．设1212,0,1,2,,k k i a p p p i k αααα=≥=， 1212,0,1,2,,k k i b p p p i k ββββ=≥=．记 {}{}min ,,max ,i i i i i i γαβδαβ==， 则 ()1212,k k a b p p p γγγ=， []1212,k k a b p p p δδδ=．（3）辗转相除法()()()()()121,,,,,0n n n n a b b r r r r r r r -======．例7 （1）求()8381,1015，[]8381,1015； （2）()144,180,108，[]144,180,108． 解（1）方法1 分解质因数法．由283811729,10155729,=⨯=⨯⨯得 ()8381,101529=，[]28381,1015571729293335=⨯⨯⨯=．方法2 辗转相除法．883811015381207831261232823223229或 232142213138232261101583812322327838120029232261q q q q r r r r ========或 ()()()()()8381,1015261,1015261,23229,23229,029=====． []()83811015838110158381,10158381352933358381,101529⨯⨯===⨯=．（2）方法1 短除法．由2144 180 108272 90 54336 30 27312 10 9 4 5 3得 ()22144,180,1082336=⨯=，[]43144,180,1082352160=⨯⨯=．方法2 分解质因数法．由42222314423,180235,10823,=⨯=⨯⨯=⨯，得 ()22144,180,1082336=⨯=，[]43144,180,1082352160=⨯⨯=．例8 正整数n 分别除以2,3,4,5,6,7,8,9,10得到的余数依次为1,2,3,4,5,6,7,8,9，则n 的最小值为 ．解 依题意，对最小的n ，则1n +是2,3,4,5,6,7,8,9,10的公倍数3212357n +=⨯⨯⨯，得2519n =．例9 有两个容器，一个容量为27升，一个容量为15升，如何利用它们从一桶油中倒出6升油来？解 相当于求不定方程15276x y +=的整数解． 由()15,273=知，存在整数,u v ，使15273u v +=，可得一个解2,1u v ==-，从而方程 ()1542726⨯+⨯-=．即往小容器里倒2次油，每次倒满之后就向大容器里倒，大容器倒满时，小容器里剩有3升油；再重复一次，可得6升．例10 对每一个2n ≥，求证存在n 个互不相同的正整数12,,,n a a a ，使i j i j a a a a -+，对任意的{},1,2,,,i j n i j ∈≠成立．证明 用数学归纳法．当2n =时，取121,2a a ==，命题显然成立． 假设n k =时，命题成立，即存在12,,,k a a a ，使 i j i j a a a a -+，对任意的{},1,2,,,i j k i j ∈≠成立．现取b 为12,,,k a a a 及它们每两个数之差的最小公倍数，则1k +个数12,,,,k b a b a b a b +++满足 ()()()()()(),,t t ij i j a b b a b b a b a b a b a b ⎧+-++⎪⎨+-++++⎪⎩即命题对1n k =+时成立．由数学归纳法知命题对2n ≥成立．例11 ()111959,IMO -证明对任意正整数n ，分数214143n n ++不可约．证明1 （反证法）假若214143n n ++可约，则存在1d >， ①使 ()214,143n n d ++=， 从而存在(),,,1p q p q =，使214, 143, n dp n dq +=⎧⎨+=⎩②③消去n ，()()3322⨯-⨯，得()132d q p =-， ④ 的 1d =． ⑤由（1）、（5）矛盾，得1d =． 解题分析：（1）去掉反证法的假设与矛盾就是一个正面证法．（2）式④是实质性的进展，表明()()131432214n n =+-+， 可见 ()214,1431n n ++=． 由此获得2个解法．证明2 设()214,143n n d ++=．存在(),,,1p q p q =，使214, 143, n dp n dq +=⎧⎨+=⎩①② 消去n ，②×3-①×2，得()132d q p =- ③ 得 1d =．证明3 由()()131432214n n =+-+ 得 ()214,1431n n ++=．证明4 ()214,143n n ++()71,143n n =++ ④ ()71,1n =+ ⑤1=．解题分析：第④ 相当于 ①-②；第⑤ 相当于②-2（①-②）=②×3-①×2；所以③式与⑤式的效果是一样的．例12 不存在这样的多项式()1110mm m m f n a n a na n a --=++++，使得对任意的正整数n ，()f n 都是素数．证明 假设存在这样的多项式,对任意的正整数n ，()f n 都是素数，则取正整数n b =，有素数p 使()1110mm m m f b a b a ba b a p --=++++=，进而对任意的整数,k 有()()()()1110mm m m f b kp a b kp a b kp a b kp a --+=+++++++()1110m m m m a b a b a b a Mp --=+++++（二项式定理展开）()1P M =+，其中M 为整数，这表明()f b kp +为合数．这一矛盾说明，不存在这样的多项式,对任意的正整数n ，()f n 都是素数． 三、平方数若a 是整数，则2a 就叫做a 的完全平方数，简称平方数． 1．平方数的简单性质（1）平方数的个位数只有6个：0,1,4,5.6.9．（2）平方数的末两位数只有22个：00，01，21，41，61，81，04，24，44，64，84，25，16，36，56，76，96，09，29，49，69，89．（3）()()()()2220mod 4,211mod 4n n ≡-≡． （４）()()2211mod 8n -≡．（6）凡是不能被3整除的数，平方后被3除余1．（7）在两个相邻整数的平方数之间，不能再有平方数． （8）非零平方数的约数有奇数个．。

高斯函数[x]的性质及应用定义：用[x]表示不超过x 的最大整数，函数y=[x]称为高斯函数．例如,5]5[=.2]2[-=-用{x}表示x- [x]称为x 的小数部分．例如,22}2{,0}5{-=-=等。

显然，.1}{0}.{][<≤+=x x x x1．函数y =[x]及y={x}的性质.0]}{[,0}][{],[]][[===x x x x ① .1][][1+<≤<-x x x x ②③若,y x <则].[][y x ≤即函数][x 是不减的，④若,0>b 由),0,(,b r z q r bq a ≤≤∈+=得⋅=q ba][⑤若,Z n ∈则,][][n x n x +=+}.{}{x n x =+ }.{}{}{],[][][y x y x y x y x +≥++≤+⑥⑦若,0,0≥≥y x 则].[][][y x xy ⋅≥⑧若,}{β=x 则⋅<≤∈=)10,(},{}{ββZ n n nx2．函数][x y =和}{x y =的图象：][x y = }{x y =由图象可以看出，函数y=[x]的图象是个阶梯形的图象， 而y={x}则是一个周期为1的周期函数．在解与[x]有关的题目时，通常可以利用[x]性质把问题转化为不等式求解，因此限定x 的范围，使问题得解，（1）与 [x] 有关的计算 例1 求和式]10123[1001nn ∑=的值例2. （1993年亚太地区竞赛题）求函数[]]4[]3[]35[]2[)(x x x x x x f ++++=在0≤x≤100上所取的不同的整数值的个数．例3. （1993年全国高中联赛）试求正整数]31010[3193+的末两位数字．例4. 设,N n k ∈、,41212+++=k k α求n α的整数部分][n α除以k 所得的余数．（2）运用 [x ] 的性质证明含[f (n )]的恒等式和不等式 例5. 对于任意),1(>∈n N n 试证明：][log ][log ][log ][][][323n n n n n n n n +++=+++例6. 若),7()1(,][+⋅⋅+=∈n n n x N x n 求证：.67][24++=n n x例7. ,N n ∈求证：①].[][2]2[1][nx nnx x x ≤+++例8. 设有n 个小于1 000的正整数：⋅n a a a 、、21其中任意两个数j i a a 、的最小公倍数,1000],[≥j i a a 求证：①⋅<∑=2311i ni a（3）运用 [x ] 的性质解含[α]的恒等式和不等式 例9. 解方程02][lg lg 2=--x x例10.（1989年第二十三届全苏竞赛题）当n 是怎样的最小自然数时，方程1989]10[=x n有整数解？例11. （第三届美国邀请赛题）前1000个正整数中可以表示成]8[]6[]4[]2[x x x x +++ 的正整数有多少个？例12. ,N n ∈求证：].[][])[1(][][ny nx y x n y x +≤+-++（4）运用 [x ] 的性质解含[α]的杂题 例13. 设集合},,23|{2N n n n a a A n n ∈-==}.],213[)(|)({N n n n n f n f B ∈++==求证：.,N B A B A =∅=例14. 设,=x求[x]的末三位数．+5(1000)62例15. 令],2[n a n 求证：在数列}{n a 中有无穷多个项是2的整数次方幂，例16. （1992年四川高中竞赛题）设正实数a >1，自然数n ≥2.且方程[ax ]=x 恒有n 个不同的解．求a 的取值范围．练习题1．用<x> 表示不小于x 的最小整数，则方程024][82=++><x x 的解为( )A. -5 <x< -4 B ． 一6<x< -5 C.x< -5 D. -5≤x≤-42．方程8082]310[3]310[31212-=+⨯-+⨯-++x x x x 的整数解的个数为( )A. 0B. 1C. 2D. 33．=++++]32[]32[]32[]31[10002 。

高斯函数[x]在高中数学竞赛中的应用
时光朋
【期刊名称】《上海中学数学》
【年(卷),期】2008(000)011
【摘要】@@ 高斯函数[x]在数论和其他数学分支中有着非常广泛的应用,因此经常出现在高中数学竞赛试题中.在竞赛中经常考查关于[x]的方程、不等式、整除问题、格点问题、组合数问题等等.求解与高斯函数[x]有关的竞赛题虽然不会涉及到很多其他基础知识,但题目比较灵活,而且有较强的技巧性.
【总页数】4页(P33-36)
【作者】时光朋
【作者单位】200234,上海师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】O1
【相关文献】
1.高斯函数在数学竞赛中的应用 [J], 赵开明
2.数学竞赛中的高斯函数 [J], 刘继东
3.解析法在高中数学竞赛中的应用 [J], 崔文喆;邵婧怡
4.初中数学竞赛中的高斯函数问题 [J], 姜照华
5.数学竞赛中涉及的高斯函数问题 [J], 方志平
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。