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

Задача М865

Условие задачи (1984, № 5) Задача М865 // Квант. — 1984. — № 5. — Стр. 42; 1984. — № 8. — Стр. 51.

Обозначим через $[a,b]$‍‍ наименьшее общее кратное целых чисел $a$‍‍ и $b$‍.‍ Докажите, что для любых $n+1$‍‍ чисел $a_0\lt a_1\lt\ldots\lt a_n$‍‍ выполнено неравенство $$ \dfrac1{[a_0,a_1]}+\dfrac1{[a_1,a_2]}+\ldots+\dfrac1{[a_{n-1},a_n]}\le1-\dfrac1{2^n},$$ если

  1. $n=2$‍;
  2. $n=3$‍;
  3. $n$‍‍ - любое натуральное число

Б. М. Ивлев


Изображения страниц

Решение задачи (1984, № 8) Задача М865 // Квант. — 1984. — № 5. — Стр. 42; 1984. — № 8. — Стр. 51.

При небольших $n$‍‍ задачу можно решить с помощью перебора.

а) Так как $[a,b]\ge2a$‍‍ при $a\lt b$‍,‍ и $a_0\ge1$‍,$a_1\ge2$‍,‍ справедливы неравенства $\dfrac1{[a_0,a_1]}\le\dfrac12$‍,$\dfrac1{[a_1,a_2]}\le\dfrac14$‍‍ и $$\dfrac1{[a_0,a_1]}\le\dfrac1{[a_0,a_1]}+\dfrac1{[a_1, a_2]}\le\dfrac12+\dfrac14=\dfrac34.$$

б) Если $a_2\ge4$‍,‍ то, как и в пункте а), $\dfrac1{[a_0,a_1]}\le\dfrac12$‍,$\dfrac1{[a_1,a_2]}\le\dfrac14$‍,$\dfrac1{[a_2, a_3]}\le\dfrac18,$‍‍ если же $a_2=3$‍,‍ то $a_0=1$‍,$a_1=2$‍,$[a_0,a_1]=2$‍,$[a_1,a_2]=6$‍,$[a_2,a_3]\ge6$‍,‍ и $$\dfrac1{[a_0,a_1]}+\dfrac1{[a_1,a_2]}+\dfrac1{[a_2,a_3]}\le\dfrac12+\dfrac16+\dfrac16\lt\dfrac78.$$

в) Доказательство проведём методом математической индукции. При $n=1$‍‍ наше неравенство очевидно. Допустим теперь, что оно справедливо при $n=k$‍‍ и докажем его для $n=k+1$‍.‍ Рассмотрим два случая.

1) Пусть $a_{k+1}\ge2^{k+1}$‍,‍ тогда $[a_k,a_{k+1}]\ge a_{k+1}\ge2^{k+1}$‍‍ и по предположению индукции $$ \left(\dfrac1{[a_0,a_1]}+\ldots+\dfrac1{[a_{k-1},a_k]}\right)+\dfrac1{[a_k,a_{k+1}]}\le \left(1-\dfrac1{2^k}\right)+\dfrac1{2^{k+1}}=1-\dfrac1{2^{k+1}}. $$

2) В случае, когда $a_{k+1}\lt2^{k+1}$‍,‍ воспользуемся тождеством $[a,b]=\dfrac{ab}{(a,b)}$‍,‍ где $(a,b)$‍‍ — наибольший общий делитель чисел $a$‍‍ и $b$‍.‍ Поскольку $b-a$‍‍ делится на $(a,b)$‍,‍ и, следовательно, $(a,b)\le b-a$‍‍ (при $b\gt a$‍),‍ из этого тождества вытекает, что $\dfrac1{[a,b]}\le\dfrac{b-a}{ab}=\dfrac1a-\dfrac1b$‍.‍ Поэтому $$\begin{gather*} \dfrac1{[a_0,a_1]}+\dfrac1{[a_1,a_2]}+\ldots+\dfrac1{[a_k,a_{k+1}]}\le\\ \le\left(\dfrac1{a_0}-\dfrac1{a_1}\right)+\left(\dfrac1{a_1}-\dfrac1{a_2}\right)+\ldots+ \left(\dfrac1{a_k}-\dfrac1{a_{k+1}}\right)=\dfrac1{a_0}-\dfrac1{a_{k+1}}\lt1-\dfrac1{2^{k+1}}, \end{gather*}$$ что и требовалось доказать.

Отметим, что указанная оценка точная: при любом $n$‍‍ равенство достигается для последовательности $a_0=1$‍,$a_1=2$‍,$\ldots$‍,$a_n=2^n$‍.

Б. М. Ивлев


Метаданные Задача М865 // Квант. — 1984. — № 5. — Стр. 42; 1984. — № 8. — Стр. 51.

Предмет
Математика
Условие
Решение
Номера

1984. — № 5. — Стр.  [условие]

1984. — № 8. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М865 // Квант. — 1984. — № 5. — Стр. 42; 1984. — № 8. — Стр. 51.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m865/