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[数列] 麻烦大家做道题,2007年哈佛麻省理工校际联赛第10题

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yhg1970 Post time 2014-10-31 16:13 |Read mode
原题见宋老师的博文《1998--2012美国哈佛大学与麻省理工学院数学邀请赛试题选萃 》

地址:blog.sina.com.cn/s/blog_4c1131020102v1j1.html


两边取对数后可转化为三阶齐次线性递推数列,用特征方程解决,不过比较复杂,所以我又转化成了二阶的齐次线性递推数列。

求出a(n)的通项公式后做不下去了,以前没见过这么凶险复杂的题目,水平有限,暂且搁置,求高手指点。

找软件求值验证发现,最终结果应该比4.24264略大。

无标题.png

无标题2.jpg

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Tesla35 Post time 2014-10-31 22:45
数列题。我喜欢。这题西西肯定会做。看他发过类似的。

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kuing Post time 2014-11-1 01:55
终于找到了连锁反应的路,看看有没有问题。

如楼主所计算的,我们有
\[a_n=2^{2^{n-1}+2n},\]

\begin{align*}
&\frac1{\sqrt2}\cdot\sqrt{a_1+\sqrt{a_2+\sqrt{a_3+\sqrt{a_4+\cdots +\sqrt{a_n}}}}} \\
={}&\sqrt{2^{-1}2^{2^0+2\times 1}+\sqrt{2^{-2}2^{2^1+2\times 2}+\sqrt{2^{-2^2}2^{2^2+2\times 3}+\sqrt{2^{-2^3}2^{2^3+2\times 4}+\cdots +\sqrt{2^{-2^{n-1}}2^{2^{n-1}+2n}}}}}} \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}},
\end{align*}
只需求上式的极限,然而,假如我们对上式最后一个根号内加上 $2^{n+1}+1$,则有
\begin{align*}
&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}+2^{n+1}+1}}}}} \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{(2^n+1)^2}}}}} \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+2^n+1}}}} \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{(2^{n-1}+1)^2}}}} \\
={}&\cdots  \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+2^3+1}} \\
={}&\sqrt{2^2+\sqrt{(2^2+1)^2}} \\
={}&\sqrt{2^2+2^2+1} \\
={}&\sqrt{(2+1)^2} \\
={}&3,
\end{align*}
由此,通过不断分子有理化,我们有
\begin{align*}
&3-\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}} \\
={}&\frac{\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}+2^{n+1}+1}}}}-\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}}{3+\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}}} \\
={}&\frac{\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}+2^{n+1}+1}}}-\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}{\left( 3+\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}} \right)(\cdots )} \\
={}&\cdots  \\
={}&\frac{2^{n+1}+1}{\left( 3+\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}} \right)(\cdots )\cdots (\cdots )},
\end{align*}
这里分母中的那些括号都是为有理化而乘上的式子,不需要具体写出来,只需知道它们显然都是大于 $3$ 的,那么显然分母比分子高阶,于是取极限即得
\[\lim_{n\to+\infty}3-\sqrt{2^2+\sqrt{2^4+\sqrt{2^6+\cdots +\sqrt{2^{2(n-1)}+\sqrt{2^{2n}}}}}}=0,\]
所以
\[\sqrt{a_1+\sqrt{a_2+\sqrt{a_3+\cdots}}}=3\sqrt2.\]

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kuing Post time 2014-11-1 14:12
这些竞赛题应该会有官方的标答吧,不知在哪能看到标答?

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 Author| yhg1970 Post time 2014-11-1 14:30
谢谢郭少侠相助,劳烦您半夜不睡费心费力。
解答非常精彩,连锁变形的步骤和分母有理化的步骤都犹如神来之笔。
一开始我的思路局限在让根式变形从而达到化简得目的看来是不合适的。

麻省理工官方网站有Problems和Solutions,链接地址:web.mit.edu/~ecprice/OldFiles/hmmt_www_old/
不过我点击链接没查到内容,不知什么原因。

AMC中国区组织委员会常组织国内学生赴美参赛,官方网站amc-china.com/hmmt/

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kuing Post time 2014-11-1 14:35
回复 5# yhg1970

那英文网站进去后都不知哪里是头……算了……

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 Author| yhg1970 Post time 2014-11-1 15:48
kuing可以到这个地址去下载《HMMT_Solutions_1998-2012_哈佛-MIT数学竞赛题解答》
doc88.com/p-246838568117.html
答案在第348页,让人想象不到的简单直接,不是在根号外边乘以某数,而是从根号里边提出sqrt(2),方法有点类似拉马努金恒等式,2013年清华大学金秋数学体验营试题最后一道题也考查了这种结构的根式化简处理方法。
answer.jpg
2013年清华大学金秋数学体验营试题及其解答
blog.sina.com.cn/s/blog_b9a401a40101d5ut.html

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kuing Post time 2014-11-1 15:57
回复 7# yhg1970

谢谢提供

直接从里面提 $\sqrt2$ 和我在外面乘 $1/\sqrt2$ 是一样道理。

但是后面那里我觉得直接就这样等下去就算是完结了是否够严格?如果这样也行的话,那么我上面添项后也不用有理化求极限了,之所以有理化就是为了严格证明……

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kuing Post time 2014-11-1 16:07
回复 7# yhg1970

当年我证拉马努金恒等式的时候也是用有理化:kuing.cjhb.site/forum.php?mod=viewthread&tid=706 始终觉得就凭一条连等式是不够的

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 Author| yhg1970 Post time 2014-11-1 20:23
看了您当年解决拉马努金恒等式的解答,对我来说理解起来还是有难度的,除非对照您的做题步骤自己演算一遍,更别说让我想出这么严谨巧妙的方法了。
我是在给学生辅导自主招生讲递推数列时看宋庆老师的博文才开始关注这道题的,因为一开始的两边取对数的变形方法在2006年山东卷理第22题、2008年重庆卷理第22题这两道题都用到了,所以就想试着解决这道HMMT(Harvard–MIT Mathematics Tournament)的竞赛题。
您是一个追求完美的玩家,从您经营的支持Latex的网站、严谨到极致的解题和《数学空间》上发表的文章能看得出来。

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 Author| yhg1970 Post time 2014-11-1 20:43
本帖最后由 yhg1970 于 2014-11-1 20:50 编辑 这道题我是在宋老师的博文中看到的,当时标的是第10题,查原试卷发现实际上是团体对抗赛36道题中的第29题,本题分数15点。
网上有关HMMT的资料比较少,可查维基百科en.wikipedia.org/wiki/Harvard–MIT_Mathematics_Tournament#Guts_Round
团体对抗赛Guts Round共36题,总分大约400点,都是short-answer questions,每个参赛队8人,考试时间80分钟。这36道题分成四组,考试开始信号发出后,每队派出一个信使runner跑去领第一组题,等完成后跑去送答案同时领回第二组题。因为是short-answer questions,所以每队的分数是即时公布的,这样每个参赛队都被紧张激动的竞赛气氛笼罩着,对抗性极强,有点类似于大学生建模竞赛或信息学奥林匹克竞赛,和一道题钻研一个半小时的IMO不太一样。这种short-answer questions并不考察参赛者严谨细致的推理,因为都是填空题,不用写推导过程。
英语水平一般般,连猜带蒙勉强知道是这么回事,有错误您别见怪。

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2025-3-5 10:51 GMT+8

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