求证:对任意大于 的整数 ,均存在一个由 个正整数组成的数列 ,同时满足以下三个条件:
数列各项之和等于它们的最小公倍数,即
对于 ,均有 不整除 ;
相邻两项的最大公约数严格单调递增,即
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
Sylvester 单位分数构造是课外名称,实际只需上述拆分恒等式。新分母等于旧分母乘积加1,所以与所有旧分母互素。
想法从哪来:先把共同最小公倍数记作 ,再试写 。 和等于 就化成单位分数和为1;相邻最大公约数则等于 。这把“最大公约数递增”改成了更容易设计的“相邻分母公倍数递减”。 先从 拆起,用 不断保留一项待拆余数,自动生成互素分母。大分母逆序放置,使相邻乘积递减;最后直接检查非整除及第一对的严格性。
把各项写成同一整数 除以若干分母 。此时“和等于最小公倍数”对应 单位分数和为 ,而相邻最大公约数由 控制。Sylvester 单位分数展开恰好提供两两互素且快速递增的分母,逆序排列后便得到 严格递增的相邻最大公约数。
令 。递归定义
由于 (),数 两两互素且严格递增。
由 ,对 有
从 开始反复使用这个等式,得到
取 ,并按如下次序定义 个正整数:
由(1)(2),
为统一验证其余条件,令
于是 ,且每个 都整除 。因为 两两互素,
利用恒等式
得到 。结合(3),条件(1)成立。
对 , 是两个不同且大于 的互素数。 若 ,则
为整数,即 ,与二者互素且 矛盾。 故条件(2)成立。
最后,因为 ,
这些相邻分母的最小公倍数依次为
第一项严格大于第二项,因为 ;以后每一项也严格大于下一项, 因为 。由(4),相邻项的最大公约数便严格递增,条件(3)成立。 所以构造(2)对每个 都满足题目全部要求。
最小情形 时,、,构造给出 ;其和与最小公倍数均为 , 相邻最大公约数为 ,且 。
若希望若干正整数之和恰等于共同最小公倍数,可先构造单位分数分解 ,再令 。通过控制相邻分母的最小公倍数, 还能反向控制相邻 的最大公约数;Sylvester 分母的两两互素性同时保证非整除。
要用乘积加一的互素数列产生单位分数和1,再将公倍数除以分母并倒序排列,同时满足求和、不整除和相邻公约数严格递增。
已记下,谢谢!