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在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?

卡卷网2年前 (2025-04-03)每日看点328

中学时期曾在Matrix67的博客里看到过一个巧妙的题目,原题来自2014 年印度全国奥林匹克数学竞赛。

求证:对于任意正整数 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 而言, 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 总是偶数, 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 表示不超过 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 的最大整数。

这题的常规解法难度并不大,使用数学归纳法外加一点点点注意力就好:

令 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张

显然 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,成立。假设 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 是个偶数,我们来证明 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 也是偶数。

注意到 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,当且仅当 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 能被 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 整除;否则它将等于0。

我们记 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 为 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 的因数个数,于是有 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张

注意正整数的因数个数总是偶数(因数都是成对的嘛),除非它恰好是一个完全平方数。

于是 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 是个偶数,除非 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 是个完全平方数。

而当 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 是完全平方数时, 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,否则它将等于0。

于是 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 总是个偶数,再由假设,我们得到原命题成立。


这个证明很稳健,但是不够优雅,一位名叫David Angell的网友给了一个很优雅的证明:


注意到——

在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 这个东西,恰好是第一象限中位于曲线 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 下方(含接触)的整数格点数目诶!(*^▽^*)

我们把这样的格点分为两类:A类是位于直线 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 之上的,B类是位于直线 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 之外的。

显然B类点的数目是偶数,因为B类点都是关于直线 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 对称分布的。

接下来讨论A类点,显然A类点的坐标都是 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,其中 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 不超过 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,所以A类点的数目恰好是 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 。

那么原式的意义就是B类点的数目(偶数个)加上A类点的数目( 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 个),再额外加一个 在数学的学习过程中,你见过最妙的数学证明是什么?  第1张 ,这个结果显然是偶数。

证毕。


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Matrix67的博客至今还在更新,感谢他让中学阶段的我得以一窥数学殿堂的窗棂间透出的光。

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