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一道小学数学题,放网上2年没人做出来,你试试看?

2017-06-29 李骏 哲学园


小学六年级
原题:1/60是哪两个分数单位之差?有多少种?写出所有的答案。 

数学描述:1/60=1/()-1/()


以下为老蝉的小学生解答:


分解质因数方法的一般思路:
  
60=1*2*2*3*5 (这个1不能省略,否则,又变回特殊的思考方法了)
=1*60=2*30=3*20=4*15=5*12=6*10
  
能被60整除的数:
  
1,2,3,4,5,6,10,12,15,20,30,60;
  
将以上没有公约数的两两相减(大减小),可得:


重新排列一下得表一:

为了表达方便,我们用以下式子表示(其中字符x,y,x’,y’等并不涉及解方程,只是为了表达方便,算法都是小学生会的加减乘除):


1/60=1/x-1/y=(y-x)/xy=(x’-y’)/z=(x’-y’)/60*(x’-y’)


5-2,15-2;
5-3,10-3,20-3;
15-4;
12-5;

这一组为例,可以列出表二:


这一组的答案是:


24 40
35 84
36 90
42 140
44 165
51 340
52 390


同理可得表一中第一列的答案为:


10 12
12 15
15 20
20 30
30 60


表一中第一行(除去2-1)的答案为:


40 120
45 180
48 240
50 300
54 540
55 660
56 840
57 1140
58 1740
59 3540




下面是李骏先生提供的一般解

关于任意自然数倒数表为两个自然数倒数差的解集

作者:李骏

 

引理1 设任意自然数n,1/n = 1/a – 1/b(1)(其中a,b为自然数)的解集为N;而n的互素的因子对的集合为M,则|N| = |M|。


证明:设a,b为1/n = 1/a – 1/b的一个自然数对解,a,b的最大公约数(a,b)= r,令

a=r*a1,b=r*b1

则1/n = 1/r(1/a1– 1/b1) 或 n = r*a1*b1/(b1-a1)(2)

因为b1-a1不能整除a1*b1 否则

因(a1,b1)=1,则有(b1-a1)|a1 or  (b1-a1|)|b1这都将与(a1,b1)=1矛盾

所以必有(b1-a1)|r  从而(2)式可表为 n = k*a1*b1 , k=r/(b1-a1)

因而 a1,b1是n的因子,而且(a1,b1)= 1 ,所以 a1,b1 属于 M

就是说,N中的任意一个a,b都可以找到一个对应的 a1,b1 属于M

另一方面,对于任意的 a1,b1 属于M,我们可以构造一个(1)的解。

a1,b1最小公倍数[a1,b1] = a1*b1/(a1,b1)=a1*b1 ,而显然n是a1,b1的一个公倍数,所以有a1*b1|n

不放假设 b1>a1,令k=(b1-a1)*n/(a1*b1),a=k*a1, b=k*b1,则有

1/a-/1/b = (b1-a1)/(k*a1*b1)=1/n

这样a,b属于N

综上,N与M之间是一一对应关系,所以|N| = |M|

引理2 设自然数n 的因子分解式为p1r1*p2r2*…ptrt,其中pi为不同的素因子,ri为对应指数,则n的互素因子对的集合M的元素个数为|M|= 1/2[(2r1+1)…(2rt+1)-1](3).

证明:我们对素因子个数t用数学归纳法。

t=1,的时候n只有一个素因子,不放设 n=p1r1,则显然n的素因子对只能是1,p1 …,

1,  p1r1 这r1个,因此 |M|=1/2[(2*r1+1)-1]=r1 成立.

假设t=m-1成立,那么当t=m时,n 多了一个素因子pm,指数是rm

考虑n的全部素因子对集合M,可以分成三部分组成,第一部分M1不含任何因子pm,相当于t=m-1的情形,显然|M1|=1/2[(2r1+1)…(2rm-1+1)-1]

第二部分M2包含素因子pm,由于要求互素因子对,所以因子对中只可能有一个包含pm,

M2=任何第一部分M1的因子对中有一个因子乘上某个pmriri=1,…,rm

一共有2*rm*|M1|种组合。

还有一部分是M3,仅有1,pmrii=1,…,rm组成,一共有rm种组合。

显然 M1,M2,M3相互的交集为空。

所以|M| = |M1|+|M2|+|M3| = (2*rm+1)|M1|+rm

                          = 1/2(2*rm+1)[(2r1+1)…(2rm-1+1)-1]+rm

                          =1/2[(2r1+1)…(2rm-1+1)(2rm+1)-1]

因此,对于t=m假设也成立,

所以对于任意的因式分解,即对于任意自然数n,(3)都成立。

 

定理1设任意自然数n,1/n = 1/a – 1/b  (1)(其中a,b为自然数)的解集为N,则|N| = 1/2(d(n2)-1).其中d()为Dirichlet除数函数.

证明:设n 的因子分解式为p1r1*p2r2*…ptrt,其中pi为素因子,ri为对应指数,

则n2 = p12r1*p22r2*…pt2 rt

根据Dirichlet除数函数定义 d(n2) = (2r1+1)…(2rt+1),由引理1,2即可得证。

例子.

1.       n=60

因为 60 = 22*3*5

所以解数为 1/2[(2*2+1)*(2*1+1)(2*1+1)-1] = 22

2.       n=6000

6000 = 24*3*53

所以解数为 1/2[(2*4+1)*(2*1+1)(2*3+1)-1] = 94

关于(1)的解集,实际上由引理1的方法可以由n的互素因子对构造出来。

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