关键概念性质

不等式去掉取整符号

对于实数 xx 和整数 nn,有些时候我们可以去掉取整符号:

  1. x<nx<nx<n\Leftrightarrow \lfloor x\rfloor <n
  2. x>nx>nx>n\Leftrightarrow \lceil x\rceil>n
  3. xnxnx\le n\Leftrightarrow \lceil x\rceil\le n
  4. xnxnx\ge n\Leftrightarrow \lfloor x\rfloor\ge n

这些不等式的证明,我们只需要考虑 xxn1,n,n+1n-1,n,n+1 这些点之间的情况即可,容易验证。

函数自变量加取整符号

f(x)f(x) 是连续并且单调递增的,并且如果 f(x)Zf(x)\in \mathbb Z 可以推出 xZx\in \mathbb Z,那么我们就有:

  1. f(x)=f(x)\lfloor f(x)\rfloor=\lfloor f(\lfloor x\rfloor)\rfloor
  2. f(x)=f(x)\lceil f(x)\rceil=\lceil f(\lceil x\rceil)\rceil

如果 xx 是整数,那么这个等式显然成立,接下来我们考虑 xx 不是整数。

我们首先证明第一条,由于 x<x\lfloor x\rfloor< x,那么 f(x)f(x)f(\lfloor x\rfloor)\le f(x),于是我们有 f(x)f(x)\lfloor f(\lfloor x\rfloor)\rfloor\le \lfloor f(x)\rfloor

假设 f(x)<f(x)\lfloor f(\lfloor x\rfloor)\rfloor <\lfloor f(x)\rfloor,由不等式的性质,我们可以得到 f(x)<f(x)f(\lfloor x\rfloor)<\lfloor f(x)\rfloor

由于 f(x)Zf(x)\in \mathbb Z 可以推出 xZx\in \mathbb Z,所以 f(x)f(x)f(x)\neq \lfloor f(x)\rfloor,所以 f(x)>f(x)f(x)>\lfloor f(x)\rfloor

因此我们得到了 f(x)f(\lfloor x\rfloor)f(x)f(x) 之间夹了一个整数,由于 f(x)f(x) 是连续的,所以一定存在一个 x<y<x\lfloor x\rfloor <y<x 使得 f(y)=f(x)f(y)=\lfloor f(x)\rfloor

此时可以推出 yy 是整数,然而 x\lfloor x\rfloorxx 之间并不存在整数,所以假设不成立,因此 f(x)=f(x)\lfloor f(\lfloor x\rfloor)\rfloor =\lfloor f(x)\rfloor

第二条的证明过程同上。

区间整数点数量

对于下面三种类型的区间,如果有 αβ\alpha\le \beta,我们可以用给不等式加取整符号的方法,求出区间内的整数点数量。

  1. 对区间 [α,β][\alpha,\beta] 来说,αnβ\alpha\le n\le \beta 会有 αnβ\lceil\alpha\rceil \le n\le\lfloor\beta\rfloor,于是数量是 βα+1\lfloor\beta\rfloor-\lceil\alpha\rceil+1
  2. 对区间 [α,β)[\alpha,\beta) 来说,αn<β\alpha\le n\lt \beta 会有 αn<β\lceil\alpha\rceil\le n<\lceil\beta\rceil,于是数量是 βα\lceil\beta\rceil-\lceil\alpha\rceil
  3. 对区间 (α,β](\alpha,\beta] 来说,α<nβ\alpha<n\le \beta 会有 α<nβ\lfloor\alpha\rfloor<n\le \lfloor\beta\rfloor,于是数量是 βα\lfloor\beta\rfloor-\lfloor\alpha\rfloor

对这三种情况,如果对应区间之内确实至少存在一个整数,那么由于这个不等式转化是充要的,所以它给出的答案一定也是正确的,所以我们只需要确定,当对应区间不存在整数时,公式给出的答案是不是 00

  1. 对区间 [α,β][\alpha,\beta] 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0<ε1ε2<1\alpha=n+\varepsilon_1,\beta=n+\varepsilon_2,0\lt\varepsilon_1\le\varepsilon_2\lt1
  2. 对区间 [α,β)[\alpha,\beta) 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0<ε1ε21\alpha=n+\varepsilon_1,\beta=n+\varepsilon_2,0\lt \varepsilon_1\le\varepsilon_2\le 1
  3. 对区间 (α,β](\alpha,\beta] 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0ε1ε2<1\alpha=n+\varepsilon_1,\beta=n+\varepsilon_2,0\le \varepsilon_1\le\varepsilon_2\lt 1

这些情况就是所有答案应当为 00 的情况,可以验证对应公式给出的都是 00,因此这个公式是正确的。

推论

  1. 对于 f(x)=xf(x)=\sqrt x 符合要求,有 x=x\lfloor\sqrt{x}\rfloor=\lfloor \sqrt{\lfloor x\rfloor}\rfloor

  2. 对于 f(x)=x+mnf(x)=\cfrac{x+m}{n} 符合要求,有 x+mn=x+mn\lfloor\cfrac{\lfloor x\rfloor +m}{n}\rfloor=\lfloor\cfrac{x+m}{n}\rfloor

    特别地,令 m=0m=0,我们就有 xkn=x/kn\lfloor\cfrac{x}{kn}\rfloor=\lfloor\frac{\lfloor x/k\rfloor}{n}\rfloor

例题

例1

n=1N[n3n]\sum_{n=1}^N[\lfloor\sqrt[3]{n}\rfloor\mid n]

K=N3K=\lfloor\sqrt[3]{N}\rfloor,枚举 k=n3k=\lfloor\sqrt[3]{n}\rfloor,当 k<Kk<K 时,符合条件的 nNn\le N;当 k=Kk=K 时,符合条件的 nn 可能会超过 NN

因此,我们有:

n=1N[n3n]=n=1K31[n3n]+n=K3N[Kn]=n,k[k=n3][kn][1n<K3]+n,m[n=Km][K3nN]=n,k,m[kn3<k+1][n=km][1n<K3]+m[K3KmN]=n,k,m[kn3<k+1][n=km][1k<K]+NKK2+1=k,m[k3km<(k+1)3][1k<K]+NKK2+1=k,m[k2m<(k+1)3k][1k<K]+NKK2+1=k=1K1(3k+4)+NKK2+1=7+3K+12(K1)+NKK2+1=NK+12K2+52K3\begin{aligned} \sum_{n=1}^N [\lfloor\sqrt[3]{n}\rfloor\mid n] &=\sum_{n=1}^{K^3-1}[\lfloor\sqrt[3]{n}\rfloor\mid n]+\sum_{n=K^3}^N [K\mid n]\\ &=\sum_{n,k}[k=\lfloor\sqrt[3]{n}\rfloor][k\mid n][1\le n<K^3]+\sum_{n,m}[n=Km][K^3\le n\le N]\\ &=\sum_{n,k,m}[k\le \sqrt[3]{n}<k+1][n=km][1\le n<K^3]+\sum_{m}[K^3\le Km\le N]\\ &=\sum_{n,k,m}[k\le \sqrt[3]{n}<k+1][n=km][1\le k<K]+\lfloor\frac{N}{K}\rfloor-K^2+1\\ &=\sum_{k,m}[k^3\le km<(k+1)^3][1\le k<K]+\lfloor\frac{N}{K}\rfloor-K^2+1\\ &=\sum_{k,m}[k^2\le m<\frac{(k+1)^3}{k}][1\le k<K]+\lfloor\frac{N}{K}\rfloor-K^2+1\\ &=\sum_{k=1}^{K-1}(3k+4)+\lfloor\frac{N}{K}\rfloor-K^2+1\\ &=\frac{7+3K+1}{2}(K-1)+\lfloor\frac{N}{K}\rfloor-K^2+1\\ &=\lfloor\frac{N}{K}\rfloor+\frac{1}{2}K^2+\frac{5}{2}K-3 \end{aligned}

注意,中间把 1n<K31\le n<K^3 换成 1k<K1\le k<K 这一步比较关键,这是因为我们固定 kk 后遍历符合条件的 nn,仍然可以遍历到 [1,K3)[1,K^3) 之间的所有 nn

其次,我们写 n,k,m\sum_{n,k,m} 的意思是 n,k,mn,k,m 分别独立地遍历所有非负整数。

例2

1k<nk\sum_{1\le k<n}\lfloor\sqrt{k}\rfloor

同样地设 a=na=\lfloor\sqrt{n}\rfloor,那么:

1k<nk=m,km[m=k][k<a2]+a2k<nk=m,km[mk<m+1][k<a2]+(na2)a=m,km[m2k<(m+1)2][m<a]+(na2)a=mm(2m+1)[m<a]+(na2)a=m(2m2+3m1)[m<a]+(na2)a=23a3+32a2+(na2)a=na13a312a216a\begin{aligned} \sum_{1\le k<n}\lfloor\sqrt{k}\rfloor&=\sum_{m,k}m[m=\lfloor\sqrt{k}\rfloor][k<a^2]+\sum_{a^2\le k<n}\lfloor\sqrt{k}\rfloor\\ &=\sum_{m,k}m[m\le\sqrt{k}<m+1][k<a^2]+(n-a^2)a\\ &=\sum_{m,k}m[m^2\le k<(m+1)^2][m<a]+(n-a^2)a\\ &=\sum_{m}m(2m+1)[m<a]+(n-a^2)a\\ &=\sum_{m}(2m^{\underline{2}}+3m^{\underline{1}})[m<a]+(n-a^2)a\\ &=\frac{2}{3}a^{\underline{3}}+\frac{3}{2}a^{\underline{2}}+(n-a^2)a\\ &=na-\frac{1}{3}a^3-\frac{1}{2}a^2-\frac{1}{6}a \end{aligned}

其中 xnx^{\underline{n}} 代表 nn 次下降幂,我们有 xn=(x+1)n+1xn+1n+1x^{\underline{n}}=\cfrac{(x+1)^{\underline{n+1}}-x^{\underline{n+1}}}{n+1},这个形式及其有利于求和。

例3

证明:n=k=0m1nkmn=\sum_{k=0}^{m-1}\lceil\cfrac{n-k}{m}\rceil,当 nmn\ge mn,mn,m 为正整数。

不妨做带余除法 n=qm+rn=qm+r,对 kk 分类讨论:

  1. kr1k\le r-1 时,有 nkm=q+1\lceil\cfrac{n-k}{m}\rceil=q+1
  2. rkm1r\le k\le m-1 时,我们有 (q1)m+1qm+rm+1qm+rkqm(q-1)m+1\le qm+r-m+1\le qm+r-k\le qm,因此 nkm=q\lceil\cfrac{n-k}{m}\rceil=q

所以,右边的和式就是 (q+1)r+q(mr)=qm+r=n(q+1)r+q(m-r)=qm+r=n

根据 nm=n+m1m\lceil\cfrac{n}{m}\rceil=\lfloor\cfrac{n+m-1}{m}\rfloor,可以得到 n=k=0m1n+kmn=\sum_{k=0}^{m-1}\lfloor\cfrac{n+k}{m}\rfloor

我们令 n=mxn=\lfloor mx\rfloor,可以得到 mx=k=0m1mx+km=k=0m1x+km\lfloor mx\rfloor=\sum_{k=0}^{m-1}\lfloor\cfrac{\lfloor mx\rfloor +k}{m}\rfloor=\sum_{k=0}^{m-1}\lfloor x+\cfrac{k}{m}\rfloor

例4

1<k<22n12lgk4lglgk\sum_{1<k<2^{2^n}}\cfrac{1}{2^{\lfloor \lg k\rfloor}4^{\lfloor\lg\lg k\rfloor}}

注意这里的 lg\lg 底数是 22

由于 lgxZ\lg x\in\mathbb Z 可以推出 xZx\in\mathbb Z,因此 lgx=lgx\lfloor\lg x\rfloor=\lfloor \lg \lfloor x\rfloor\rfloor

1<k<22n12lgk4lglgk=1<k<22n12lgk4lglgk=k,m12m4lgm[m=lgk][1<k<22n]=k,m12m4lgm[mlgk<m+1][1m<2n]=k,m12m4lgm[2mk<2m+1][1m<2n]=m2m+12m2m4lgm[1m<2n]=m14lgm[1m<2n]=m,p14p[p=lgm][1m<2n]=m,p14p[2pm<2p+1][0p<n]=p2p+12p4p[0p<n]=p12p[0p<n]=212n1\begin{aligned} \sum_{1<k<2^{2^n}}\cfrac{1}{2^{\lfloor \lg k\rfloor}4^{\lfloor\lg\lg k\rfloor}}&=\sum_{1<k<2^{2^n}}\cfrac{1}{2^{\lfloor \lg k\rfloor}4^{\lfloor\lg\lfloor\lg k\rfloor\rfloor}}\\ &=\sum_{k,m}\frac{1}{2^m 4^{\lfloor \lg m\rfloor}}[m=\lfloor\lg k\rfloor][1<k<2^{2^n}]\\ &=\sum_{k,m}\frac{1}{2^m4^{\lfloor\lg m\rfloor}}[m\le \lg k<m+1][1\le m<2^n]\\ &=\sum_{k,m}\frac{1}{2^m4^{\lfloor\lg m\rfloor}}[2^m\le k<2^{m+1}][1\le m<2^n]\\ &=\sum_{m}\frac{2^{m+1}-2^m}{2^m4^{\lfloor\lg m\rfloor}}[1\le m<2^n]\\ &=\sum_{m}\frac{1}{4^{\lfloor\lg m\rfloor}}[1\le m<2^n]\\ &=\sum_{m,p}\frac{1}{4^p}[p=\lfloor\lg m\rfloor][1\le m<2^n]\\ &=\sum_{m,p}\frac{1}{4^p}[2^p\le m<2^{p+1}][0\le p<n]\\ &=\sum_{p}\frac{2^{p+1}-2^p}{4^p}[0\le p<n]\\ &=\sum_{p}\frac{1}{2^p}[0\le p<n]\\ &=2-\frac{1}{2^{n-1}} \end{aligned}