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2025 年北京预赛
嵌套取整恒等式中的黄金比
F3填空题函数综合
等式
⌊a⌊an⌋⌋−⌊an⌋=n−1
对一切正整数 n 成立,则所有满足条件的实数 a 的值为。
作答
分数写 a/b,根号写 √ 或 sqrt,π 写 pi 也可以。
解析
思路
先让 n 趋于无穷,利用取整误差有界确定 a 必须满足的二次方程;再逐个检验两个候选值。
解答
记 mn=⌊an⌋=an+O(1)。则
⌊amn⌋−mn=(a2−a)n+O(1).
题设右边为 n−1,两边除以 n 并令 n→∞,得到
a2−a=1.
故候选值为
a=21±5.
当 a=(1−5)/2 时,取 n=1 有 ⌊a⌋=−1,从而
⌊a⌊a⌋⌋−⌊a⌋=⌊−a⌋+1=1=0,
应舍去。
令 φ=(1+5)/2。对任意正整数 n,写
nφ=m+r,m=⌊nφ⌋,0<r<1.
由 φ2=φ+1,
φm=φ(nφ−r)=m+n−(φ−1)r.
因 0<(φ−1)r<1,故
⌊φm⌋=m+n−1.
这正是题设等式,所以
a=21+5.
复核
φ 为无理数,故 r 不会等于 0;严格不等式确保取整值恰为 m+n−1,没有端点歧义。
方法总结
嵌套取整恒等式若对所有整数成立,主项比较通常先锁定代数常数;对黄金比候选,则利用 φ2=φ+1 精确控制不足一单位的误差。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
将嵌套取整的误差控制为常数以确定a²−a=1,再用n=1排负根,并借黄金分割代数关系验证所有n的小数部分。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:减去标准解,放大差值、取整与整数性
专题卡:定义在整数上的函数:整数之间有空隙,用它把函数值夹住、函数接近一个标准函数:减去它,再证明差只能是 0