初中数学竞赛中的高斯函数问题
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2中等数学●数学活动课程讲座●初中数学竞赛中的高斯函数问题姜照华(山东省枣庄市第二十九中学,277000)中图分类号:0174文献标识码:A文章编号:1005—6416(2010)11—0002—04(本讲适合初中)在初中数学竞赛中,经常出现含有取整符号【石】的问题.所谓的【茗】,就是表示不超过实数髫的最大整数,例如,【3.4】=3,【一2.7】=一3.这一规定最早为大数学家高斯所使用,故【菇】被称为高斯函数.很明显,由规定直接可得:(1)当石是整数时,【茗】=茗;’(2)当石不是整数时,茗一l<【石】<戈.将两种情况合在一起,即是对任一实数z有茗一1<【戈】≤戈.运用这一基本性质和高斯函数的意义,可轻松地解决相关的赛题.1求单个高斯函数值例1设a:堑羔;丛.贝0【d16】=一(2008,“五羊杯”数学竞赛(初三))【分析】注意到a:巫#-q卢:亟≠(0<芦<1)能使a+卢=届与qB=1.因此,可以通过计算a16+口16的值进行判断.解设卢:笪≯.则a+卢=石,邮=1.于是,a2+矿=(a+卢)2—20口=3,a4+∥=(a2+矿)2—2(af t)2=7,a8+矿=(∥+矿)2—2(af t)4=47,a16+矿=(a8+矿)2—2(q8)8=2207.由0<卢<1,知0</316<1.所以,2206<O t l6<2207.收稿日期:2010一∞一2l因此,【a16】=2206.例2计算【V(五i-乃赢i三丽】的值(2008共出现了2008次).(2008,青少年数学国际城市邀请赛)【分析】尽管有2008次开平方运算,只要从里往外耐心地进行估算,规律自然会显现出来.解记d。
=√2008+42008+…+以008 (共7/,个2008,乃=l,2,…).由44<√2008<45,知452<2008+44<2008h俪<2008+45<462.则45<42008+~/2008<46,即45<Ⅱ2<46.故452<2008+45<2008+a2<2008+46<462.于是,45<以008+02<46,即45<a3<46.同理,45<a4<46,……45<1/,2瞄<46.所以,【a2瞄】=45.例3设一11 52—[(10—+——+…+_xll-1)2][(1l x12]'1)2]L10×l l J L11×12Jr(49xS0—1)‘1【49x50J则[30S】=().(A)l(B)2(C)3(D)0(2002,“五羊杯”学竞赛(初二))【分析】此题需要化简s,以便判断30S2010年第11期3的僵哆卜f 哪两个连续的整数之I 刚.解当n ≥l O ,且n 是整数时,【咄1”…)-2+志1】【n(,l +)J 一【¨、¨’17’n(,l +)J=n(,l +1)一2=(n 一1)(n+2).故s=志+百未+-.+石b.注意到玎去酉=丁1Iil 一j 丽1).N3s=(i }一古)+(;【_一吉)+…+(三i 一击)lI111l=一+一+…一….9。
10。
11495051’故未一丽3<38<歹3一未,2<詈<30s<詈<3.因此,【30S 】=2.2求名个高斯函数值的和例4代数式【江i 丽】“泣丽】+…+【:/2000x2001x2002.】=().(a )2ooo ooo (B )2001000(c)2002000(D )2003001(2000,“五羊杯”数学竞赛(初三))【分析】注意到和式中的每个加数都可以表示为【扔玎矿订丁蕊了万】(k 为正整数).需对yI|}(后+1)(||}+2)进行估计.解因k3<k(k+1)(后+2)<(||}+1)3,所以,k<弘丽了呵丽<I|}+1.因此,【孤砸了呵丽】-k .故原式=1+2+…+2000--2001000.例5计算L[23loxll 】+【等早】+…+【警】的值解因为23与10l 互质,所以,当后=1,2,…,100时,2而3k ’都不是整数.则23kr 23_|}123k一101一l <【而J<面,掣水[掣】<掣.i 玫(23k 一-)+【掣一】<【猎】+【掣】,23k .23(101一七)(一+————L ——————————L 、101。
101’21<2…3k 】+【掣】<23.因此,[23k 】+【掣】=22.从而,可以把【等等】,【写署】,…,【望孟产】首尾配对,共配成50对,每一对的和为22.故【哿】+【警】+..+23x100】=22×50=1100.3解含高斯函数的方程例6方程6x 一3【石1+7=0的解是(第21届“希望杯”数学邀请赛(初二))解方程6x 一3【算】+7=0可改写为㈨=孚.将其代人茹一1<【茁】≤茁,得戈一1<6x ≠__27≤茗.解此不等式组得一半<菇≤一7,.故[菇]=一4或一3.所以,6Tx+7:一4或一3.解得算=一詈或一了8.经检验,菇=一訾和茹=一詈均是原方程的解.例7方程[2戈】+【3石】=9算一7--N N N实解为一(2010.全国初中学联赛武汉赛区预4中等数学赛)解根据高斯函数的性质知2并一1<【2x】≤2菇,3x一1<【3x]≤3菇.所以,5戈一2<【2髫】+【3x】≤5髫.则5x一2<9x一÷≤5筑解得一而1<龙≤素.故一鼍<9戈一子≤蔫.又因为9x一÷是整数,所以,9x一÷=一2,一1,0,l,2.解得并=一瑟1,瓦I,瑟7,瑟11,西5.经检验,嚣=一嘉和菇=虽均是原方程的解.例8方程菇2-2[戈】一3=0的解的个数为().(A)1(B)2(C)3(0)4(2009,全国初中数学联赛)解由题给方程得【石】=生≠.而菇一l<【z]≤石,贝0戈一1<竿≤算.r一’解得一1≤髫<1一在或1+在<菇≤3.因此,【x】只可能取值一l,2,3.当[菇】=一1时,x—-_--一3=一l,解橄:一1;当【石】=2时,生≠=2,解得石=万;当【z】=3时,堑≠=3,解得菇=3.因此,原方程共有3个解.【注】上述三例的解题方法同出一辙,其解题步骤可概括为:(1)从原方程中解出【z】(用含菇的代数式表示),代入不等式组戈一l<【茗】≤髫,求出茗的范围,从而求得【茗】的“可能取值”.(2)将这些“可能值”代入原程求解.(3)检验。
这是因为在(1)中将【戈】代入不等式组,“放大”了戈的取值范围,必须验根.4证明含高斯函数的恒等式例9设a是有理数.则下面四个结论中,正确的是().(A)【a】+【一n】=0(B)【a】+【一口】等于O或1(C)【Ⅱ】+【一口】≠0(D)【a】“一a】等于0或一1(第17届“希望杯”数学邀请赛(初一))解(1)若口是整数,则【a】=口,且【一o】=一口.故【a】+【一口】=a+(一口)=0.(2)若a不是整数,则a—l<【a】<a,且一a一1<【一a】<一a.故一2<【n】+【一a】<0.从而,【a】+【一a】=一1.综合(1)、(2)知应选(D).【注】上面运用分类讨论法给出了此题的严密解法,也就是证明了“【口】+【一口】等于0或一1”.由于此题是选择题,亦可用特殊值法、排除法进行作答.例10证明:对于任意实数石,有㈨“搿+虿1】=㈨.证明设戈=【z】+{菇)({搿}表示聋的小数部分).由茹一l<【茗】≤髫,得0≤{石)<1.若0≤{并)<÷,则卜丢】=㈦仲)+虿1】_Ix】,【2x】=【2【石】+2{戈)】=2【石】.所以,Ix】+『z+了11=2…=【2z】.L二J若÷≤{戈)<1,则【石+}】=【【小Ⅲ+虿1】=㈨+1,【2x】=【2【石】+2{茹)】=2【z】+1.所以,㈨+『x+了11=2I x]+1=【2髫】.L上J2010年第11期5因此,对于任意实数石。
【小.[z+丁1】=【2戈1恒成立.【注】本例的一般形式就是埃尔米特(H er m i t e)恒等式:对任意实数髫及正整数/7.(1/,>1),有㈨+卜吉】+…+卜寻】=㈨.5冥他例n已知0<口<1,且【口+苑1]+【口+未】+…+[Ⅱ+丽29】=18.则【10a】等于一(2009,北京市数学竞赛(初二))解注意到o<口+面1<口+菊2<…<口+2菊9<2.则[口+嘉】,【口+未】,…,[口+凳】等于0或者1.由题设知,其中有18个等于1.故【口+嘉]=【口+未】=…=【口+丽11】=o,[口+岩]=[口+要】=…=【口+瑟】=-.于是,o<口+丽11<l,1≤口+凳<2.因此,18≤30口<19确≤10口<孚.所以,【10a】=6.例12已知正整数n小于2006,且【子】+[詈】=号.则这样的凡有———个.(2006,全国初中数学竞赛)解由高斯函数的性质知,【了/.g】≤了/1,,当且仅当号是整数时取等号;[詈】≤詈,当且仅当詈是整数时取等号.所以,【号】+【詈】≤号+詈=号.当且仅当詈是整数时,上式等号成立.因此,导是整数.又因正整数n小于2006,所以,满足条件的n引半】=334.练习题1.在一列数菇I,戈2,…中,已知茗1=1,且当.j}≥2时,铲址l+l一4(【字】-【字】).则"1;2010等于().(A)1(B)2(C)3(D)4(2010,《数学周报》杯全国初中数学竞赛)提示:见《中等数学))2010年第7期.答案:(B).2.代数式【(厢+万)6】=——.(2004,“五羊杯”数学竞赛(初三))提示:仿例1.答案:10581.3.满足25{菇}+【石】=125的所有实数石的和是一(2007,青少年数学国际城市邀请赛)提示:25(戈)+【髫】=125可化为25x一24【戈】=125.仿例6.答案:2837.4.方程【2x】“3x】=8x一÷的所有实数解为一(2006,(新知杯)上海市初中数学竞赛)提示:仿例7.答案:鬟,鼍.5.正整数n小于100,并且满足等式【号]+【号】+【詈】=m这样的正整数n有()个.(A)2(B)3(C)12(D)16(2000,全国初中学联赛)提示:仿例12.答案:(D).。