关键概念性质
不等式去掉取整符号
对于实数 x 和整数 n,有些时候我们可以去掉取整符号:
- x<n⇔⌊x⌋<n;
- x>n⇔⌈x⌉>n;
- x≤n⇔⌈x⌉≤n;
- x≥n⇔⌊x⌋≥n。
这些不等式的证明,我们只需要考虑 x 在 n−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
若 f(x) 是连续并且单调递增的,并且如果 f(x)∈Z 可以推出 x∈Z,那么我们就有:
- ⌊f(x)⌋=⌊f(⌊x⌋)⌋;
- ⌈f(x)⌉=⌈f(⌈x⌉)⌉。
如果 x 是整数,那么这个等式显然成立,接下来我们考虑 x 不是整数。
我们首先证明第一条,由于 ⌊x⌋<x,那么 f(⌊x⌋)≤f(x),于是我们有 ⌊f(⌊x⌋)⌋≤⌊f(x)⌋。
假设 ⌊f(⌊x⌋)⌋<⌊f(x)⌋,由不等式的性质,我们可以得到 f(⌊x⌋)<⌊f(x)⌋。
由于 f(x)∈Z 可以推出 x∈Z,所以 f(x)=⌊f(x)⌋,所以 f(x)>⌊f(x)⌋。
因此我们得到了 f(⌊x⌋) 与 f(x) 之间夹了一个整数,由于 f(x) 是连续的,所以一定存在一个 ⌊x⌋<y<x 使得 f(y)=⌊f(x)⌋。
此时可以推出 y 是整数,然而 ⌊x⌋ 与 x 之间并不存在整数,所以假设不成立,因此 ⌊f(⌊x⌋)⌋=⌊f(x)⌋。
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 α≤β,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。
- 对区间 [α,β] 来说,α≤n≤β 会有 ⌈α⌉≤n≤⌊β⌋,于是数量是 ⌊β⌋−⌈α⌉+1;
- 对区间 [α,β) 来说,α≤n<β 会有 ⌈α⌉≤n<⌈β⌉,于是数量是 ⌈β⌉−⌈α⌉;
- 对区间 (α,β] 来说,α<n≤β 会有 ⌊α⌋<n≤⌊β⌋,于是数量是 ⌊β⌋−⌊α⌋;
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 0。
- 对区间 [α,β] 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0<ε1≤ε2<1;
- 对区间 [α,β) 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0<ε1≤ε2≤1;
- 对区间 (α,β] 来说,α=n+ε1,β=n+ε2,0≤ε1≤ε2<1;
这些情况就是所有答案应当为 0 的情况,可以验证对应公式给出的都是 0,因此这个公式是正确的。
推论
-
对于 f(x)=x 符合要求,有 ⌊x⌋=⌊⌊x⌋⌋。
-
对于 f(x)=nx+m 符合要求,有 ⌊n⌊x⌋+m⌋=⌊nx+m⌋。
特别地,令 m=0,我们就有 ⌊knx⌋=⌊n⌊x/k⌋⌋。
例题
例1
求 ∑n=1N[⌊3n⌋∣n]。
设 K=⌊3N⌋,枚举 k=⌊3n⌋,当 k<K 时,符合条件的 n≤N;当 k=K 时,符合条件的 n 可能会超过 N。
因此,我们有:
n=1∑N[⌊3n⌋∣n]=n=1∑K3−1[⌊3n⌋∣n]+n=K3∑N[K∣n]=n,k∑[k=⌊3n⌋][k∣n][1≤n<K3]+n,m∑[n=Km][K3≤n≤N]=n,k,m∑[k≤3n<k+1][n=km][1≤n<K3]+m∑[K3≤Km≤N]=n,k,m∑[k≤3n<k+1][n=km][1≤k<K]+⌊KN⌋−K2+1=k,m∑[k3≤km<(k+1)3][1≤k<K]+⌊KN⌋−K2+1=k,m∑[k2≤m<k(k+1)3][1≤k<K]+⌊KN⌋−K2+1=k=1∑K−1(3k+4)+⌊KN⌋−K2+1=27+3K+1(K−1)+⌊KN⌋−K2+1=⌊KN⌋+21K2+25K−3
注意,中间把 1≤n<K3 换成 1≤k<K 这一步比较关键,这是因为我们固定 k 后遍历符合条件的 n,仍然可以遍历到 [1,K3) 之间的所有 n。
其次,我们写 ∑n,k,m 的意思是 n,k,m 分别独立地遍历所有非负整数。
例2
求 ∑1≤k<n⌊k⌋。
同样地设 a=⌊n⌋,那么:
1≤k<n∑⌊k⌋=m,k∑m[m=⌊k⌋][k<a2]+a2≤k<n∑⌊k⌋=m,k∑m[m≤k<m+1][k<a2]+(n−a2)a=m,k∑m[m2≤k<(m+1)2][m<a]+(n−a2)a=m∑m(2m+1)[m<a]+(n−a2)a=m∑(2m2+3m1)[m<a]+(n−a2)a=32a3+23a2+(n−a2)a=na−31a3−21a2−61a
其中 xn 代表 n 次下降幂,我们有 xn=n+1(x+1)n+1−xn+1,这个形式及其有利于求和。
例3
证明:n=∑k=0m−1⌈mn−k⌉,当 n≥m 且 n,m 为正整数。
不妨做带余除法 n=qm+r,对 k 分类讨论:
- 当 k≤r−1 时,有 ⌈mn−k⌉=q+1;
- 当 r≤k≤m−1 时,我们有 (q−1)m+1≤qm+r−m+1≤qm+r−k≤qm,因此 ⌈mn−k⌉=q。
所以,右边的和式就是 (q+1)r+q(m−r)=qm+r=n。
根据 ⌈mn⌉=⌊mn+m−1⌋,可以得到 n=∑k=0m−1⌊mn+k⌋。
我们令 n=⌊mx⌋,可以得到 ⌊mx⌋=∑k=0m−1⌊m⌊mx⌋+k⌋=∑k=0m−1⌊x+mk⌋。
例4
求 ∑1<k<22n2⌊lgk⌋4⌊lglgk⌋1。
注意这里的 lg 底数是 2。
由于 lgx∈Z 可以推出 x∈Z,因此 ⌊lgx⌋=⌊lg⌊x⌋⌋。
1<k<22n∑2⌊lgk⌋4⌊lglgk⌋1=1<k<22n∑2⌊lgk⌋4⌊lg⌊lgk⌋⌋1=k,m∑2m4⌊lgm⌋1[m=⌊lgk⌋][1<k<22n]=k,m∑2m4⌊lgm⌋1[m≤lgk<m+1][1≤m<2n]=k,m∑2m4⌊lgm⌋1[2m≤k<2m+1][1≤m<2n]=m∑2m4⌊lgm⌋2m+1−2m[1≤m<2n]=m∑4⌊lgm⌋1[1≤m<2n]=m,p∑4p1[p=⌊lgm⌋][1≤m<2n]=m,p∑4p1[2p≤m<2p+1][0≤p<n]=p∑4p2p+1−2p[0≤p<n]=p∑2p1[0≤p<n]=2−2n−11