«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал (издаётся с 1970 года)
Старый сайт журнала: kvant.ras.ru

Задача М127

Условие задачи (1972, № 2) Задача М127 // Квант. — 1972. — № 2. — Стр. 42; 1972. — № 10. — Стр. 40—41.

Для каждого натурального числа $n$‍‍ обозначим через $s(n)$‍‍ сумму его цифр (в десятичной записи). Назовём натуральное число $m$‍особым, если его нельзя представить в виде $m=n+s(n)$‍,‍ где $n$‍‍ — какое-то натуральное число. (Например, число $117$‍‍ не особое, поскольку $117= 108+s(108)=108+9$‍,‍ а число $121$‍,‍ как нетрудно убедиться, — особое.) Верно ли, что особых чисел существует лишь конечное число?


Решение задачи (1972, № 10) Задача М127 // Квант. — 1972. — № 2. — Стр. 42; 1972. — № 10. — Стр. 40—41.

Ответ: это утверждение неверно; особых чисел бесконечно много.

Идея наиболее естественного решения состоит в следующем. Рассмотрим все числа $n$‍‍ от 1 до какого-то $N$‍.‍ Среди них найдётся некоторое количество $R_N$‍‍ таких $n$‍,‍ для которых $n+s(n)\gt N$‍.‍ Поэтому среди чисел от 1 до $N$‍‍ заведомо не больше $N-R_N$‍‍ чисел, представимых в виде $n+s(n)$‍,‍ то есть по крайней мере $R_N$‍‍ чисел — особые (мы здесь даже не учитываем то, что некоторые числа представимы в виде $n+s(n)$‍‍ более, чем одним способом). Остаётся убедиться в том, что, выбирая соответствующим образом $N$‍,‍ можно получить сколь угодно большое $R_N$‍.

Такая идея встречается в решениях Б. Бикташева и А. Вайнтроба из Москвы, А. Григоряна из Баку, И. Маджулиса из Риги и некоторых других читателей. Чтобы довести её до полного решения, докажем, что среди чисел $n$‍‍ от 1 до $N=10^{10k+k}$‍‍ существует более $10^k$‍‍ таких, для которых $n+s(n)\gt N$‍.‍ Действительно, если $n\lt N$‍‍ и $n\ge N_1=(10^{10k}-1)10^k=9 \ldots 90 \ldots 0$‍($10^k$‍‍ девяток и $k$‍‍ нyлей), то $n+s(n)\ge (10^{10k+k}-10^k)+9\cdot 10^k\gt N$‍,‍ а количество чисел $n$‍‍ таких, что $N_1\le n \le N$‍,‍ равно $N-N_1+1=10^k+1$‍.

Другое решение (наиболее аккуратно оно проведено в работах А. Печковского из Москвы и Л. Пугача из Днепропетровска) — указание способа, позволяющего построить конкретную последовательность особых чисел. Вот одна такая последовательность: $$ \begin{align*} m_1&=9+11=20,\\ m_2&=20+101=121,\\ m_3&=121+1001=1122,\\ \end{align*} $$ где $m_k=m_{k-1}+10^k+1$‍.

Докажем по индукции, что все эти числа — особые. Предположим, для $m_{k-1}$‍,‍ это верно ($k\ge 3$‍),‍ а для $m_k$‍‍ — нет: $m_k=n+s(n)$‍.

Прежде чем пользоваться этим предположением, докажем, что десятичное разложение числа $m_k$‍‍ выглядит так: $$ m_k=10^k+a_{k-1}10^{k-1}+\ldots+a_0, $$ где цифра $a_{k-1}\neq 0$‍,‍ т.е. что $11\cdot 10^{k-1}\lt m_k \lt 2\cdot 10^k$‍.‍ Левое неравенство очевидно, а правое проверяется по индукции: $$ m_k=m_{k-1}+10^k+1\lt 2\cdot 10^{k-1}+10^k+1=12\cdot 10^{k-1}+1\lt 2\cdot 10^k. $$

Теперь можно доказать, что десятичная запись числа $n$‍‍ тоже начинается с единицы: $$ n=10^k+b_{k-1}\cdot 10^{k-1}+\ldots+b_1\cdot 10+b_0, $$ то есть что $10^k\lt n \lt 2\cdot 10^k$‍.‍ Здесь правое неравенство очевидно, а левое доказывается от противного: если $n\lt 10^k$‍,‍ то $s(n) \lt9k$‍‍ и $$ n+s(n)\lt 10^k+9k\lt 10^k+10^{k-1}=11\cdot 10^{k-1}\lt m_k $$ ($9k\lt 10^{k-1}$‍‍ при $k\ge 3$‍).

Обозначим число $n-10^k$‍‍ (число $n$‍‍ с отброшенной первой цифрой, равной единице) через $n^*$‍.‍ Тогда, очевидно, $s(n^*)=s(n)-1$‍‍ и поэтому $$ n^*+s(n^*)=n-10^k+s(n)-1=m_k-10^k-1=m_{k-1}. $$

Таким образом, получается, что число $m_{k-1}$‍‍ — не особое. Противоречие с предположением доказывает справедливость индукционного перехода от $k-1$‍‍ к $k$‍.‍ То, что числа $m_1$‍‍ и $m_2$‍‍ — особые, установить нетрудно.

Н. Б. Васильев


Метаданные Задача М127 // Квант. — 1972. — № 2. — Стр. 42; 1972. — № 10. — Стр. 40—41.

Предмет
Математика
Решение
Номера

1972. — № 2. — Стр.  [условие]

1972. — № 10. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М127 // Квант. — 1972. — № 2. — Стр. 42; 1972. — № 10. — Стр. 40‍—‍41.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m127/