109高屏區數學競賽口試題解:任意9個正整數中存在四數滿足20|a+b−c−d

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109 學年度普通型高級中等學校數學科能力競賽試
6 (屏東高中) 口試()
A. 試證明任意 9個相異的正整數中,必可找出四個相異的數
𝑎𝑎,𝑏𝑏,𝑐𝑐,𝑑𝑑,使得 20|𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐 𝑑𝑑 成立。
【參考解答】
20|𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐 𝑑𝑑 成立等同 𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐+𝑑𝑑 除以 20 的餘數相同。
考慮 9個相異的正整數,除以 20 之後若有 7種以上的餘數,則取出 7個餘數不同
數。考慮此 7數任取兩數相加,若有兩組數除以 20 的餘數相同,則為所求。若否
則每組數的餘數皆不相同,故共有 21 餘數,矛盾。
而若除以 20 之後只有 6種以內的餘數,可知必有兩數的餘數相同,設為𝑎𝑎 𝑐𝑐。扣
除此兩數之後,仍有 7個數,故另有兩數的餘數相同,設 𝑏𝑏 𝑑𝑑。可得出 𝑎𝑎+𝑏𝑏
𝑐𝑐+𝑑𝑑 的餘數相同,即為所求。
B. 試證明存在 8個相異的正整數,其中任意四個相異的數
𝑎𝑎,𝑏𝑏,𝑐𝑐,𝑑𝑑20|𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐 𝑑𝑑 均不成立。
【參考解答】
若有 8個數,其中任意四個相異的數 𝑎𝑎,𝑏𝑏,𝑐𝑐,𝑑𝑑20|𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐 𝑑𝑑 均不成立。
由先前討論可知此 8個數除以 20 之後恰有 6種餘數,且其中有 3個數的餘數相同
設有 3個數的餘數為 1。可設有一個數的餘數為 2與另一個數的餘數為 3
但因 1+4 = 2+3剩餘數字的餘數皆不為 4
再設一個數的餘數為 5
1+6 = 2+51+7 = 3+5,剩餘數字的餘數皆不為 67
再設一個數的餘數為 8
1+9 = 2+81+10 = 3+82+11 = 5+81+12 = 5+8,剩餘數字的餘數皆不為 9,10,11
12
可設最後一個數的餘數為 13
故,若取 21, 41, 61, 22, 23, 25, 28, 33,則 8個數其中任意四個相異的𝑎𝑎,𝑏𝑏,𝑐𝑐,𝑑𝑑
20|𝑎𝑎+𝑏𝑏 𝑐𝑐 𝑑𝑑 均不成立。
109 學年度普通型高級中等學校數學科能力競賽試
6 (屏東高中) 口試()
求證 : 1 + 1
𝑛𝑛𝑛𝑛<1 + 1
𝑛𝑛+1𝑛𝑛+1 𝑛𝑛 為正整數。
【參考解答】
1. [引理]:
𝐴𝐴𝑘𝑘
𝑛𝑛1
𝑛𝑛𝑘𝑘<𝐴𝐴𝑘𝑘
𝑛𝑛+1 1
𝑛𝑛+1𝑘𝑘
2 𝑘𝑘 𝑛𝑛n, k 為正整數。
引理證明 :
LHS = 𝑛𝑛!
𝑘𝑘!(𝑛𝑛−𝑘𝑘)!1
𝑛𝑛𝑘𝑘=𝑛𝑛(𝑛𝑛−1)(𝑛𝑛−2)…(𝑛𝑛−𝑘𝑘+1)
𝑘𝑘!1
𝑛𝑛𝑘𝑘
= 1
𝑘𝑘!111
𝑛𝑛12
𝑛𝑛1𝑘𝑘−1
𝑛𝑛
< 1
𝑘𝑘!111
𝑛𝑛+112
𝑛𝑛+11𝑘𝑘−1
𝑛𝑛+1
= (𝑛𝑛+1)!
𝑘𝑘!(𝑛𝑛+1−𝑘𝑘)!1
𝑛𝑛+1𝑘𝑘=𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
2. 證明本題,
LHS =1 + 1
𝑛𝑛𝑛𝑛=𝐴𝐴0
𝑛𝑛+𝐴𝐴1
𝑛𝑛1
𝑛𝑛1++𝐴𝐴𝑛𝑛
𝑛𝑛1
𝑛𝑛𝑛𝑛
< 𝐴𝐴0
𝑛𝑛+1 +𝐴𝐴1
𝑛𝑛+1 1
𝑛𝑛+ 11
++𝐴𝐴𝑛𝑛
𝑛𝑛+1 1
𝑛𝑛+ 1𝑛𝑛
+𝐴𝐴𝑛𝑛+1
𝑛𝑛+1 1
𝑛𝑛+ 1𝑛𝑛+1
=1 + 1
𝑛𝑛+1𝑛𝑛+1 = RHS
故原式得證。
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