《数学奥林匹克专题讲座》三

下面说明其它自然数n都要染红色。

(1)当n为大于等于10的偶数时,

n=2k=4+2(k-2)。

由于n≥10,所以k≥5,k-2≥3,2(k-2)与4均为合数,且不相等。也就是说,大于等于10的偶数均能表示为两个不同的合数之和,应染红色。(1)当n为大于等于13的奇数时,

n=2k+1=9+2(k-4)。

由于n≥13,所以k≥6,k-4≥2,2(k-4)与9均为合数,且不相等。也就是说,大于等于13的奇数均能表示为两个不同的合数之和,应染红色。

综上所述,除了1,2,3,4,5,6,7,8,9,11这10个数染黄色外,其余自然数均染红色,第k个染为红色的数是第(k+10)个自然数(k≥2)。

所以第2000个染为红色的数是2000+10=2010。

下面看一类有规律的最优化问题。

例7 把12分拆成两个自然数的和,再求出这两个自然数的积,要使这个积最大,应该如何分拆?

分析与解:把12分拆成两个自然数的和,当不考虑加数的顺序时,有

1+11,2+10,3+9,4+8,5+7,6+6

六种方法。它们的乘积分别是

1×11=11,2×10=20,3×9=27,

4×8=32,5×7=35,6×6=36。

显然,把12分拆成6+6时,有最大的积6×6=36。

例8 把11分拆成两个自然数的和,再求出这两个自然数的积,要使这个积最大,应该如何分拆?

分析与解:把11分拆成两个自然数的和,当不考虑加数的顺序时,有1+10,2+9,3+8,4+7,5+6五种方法。它们的乘积分别是

1×10=10,2×9=18,3×8=24,

4×7=28,5×6=30。

显然,把11分拆成5+6时,有最大的积5×6=30。

说明:由上面的两个例子可以看出,在自然数n的所有二项分拆中,当n是偶数2m时,以分成m+m时乘积最大;当n是奇数2m+1时,以分成m+(m+1)时乘积最大。换句话说,把自然数S(S>1)分拆为两个自然数m与n的和,使其积mn最大的条件是:m=n,或m=n+1。

例9 试把1999分拆为8个自然数的和,使其乘积最大。

分析:反复使用上述结论,可知要使分拆成的8个自然数的乘积最大,必须使这8个数中的任意两数相等或差数为1。

解:因为1999=8×249+7,由上述分析,拆法应是1个249,7个250,其乘积249×2507为最大。

说明:一般地,把自然数S=pq+r(0≤r<p,p与q是自然数)分拆

为p个自然数的和,使其乘积M为最大,则M为qp-r×(q+1)r。

例10 把14分拆成若干个自然数的和,再求出这些数的积,要使得到的积最大,应该把14如何分拆?这个最大的乘积是多少?

分析与解:我们先考虑分成哪些数时乘积才能尽可能地大。

首先,分成的数中不能有1,这是显然的。

其次,分成的数中不能有大于4的数,否则可以将这个数再分拆成2与另外一个数的和,这两个数的乘积一定比原数大,例如7就比它分拆成的2和5的乘积小。

再次,因为4=2×2,故我们可以只考虑将数分拆成2和3。

注意到2+2+2=6,2×2×2=8;3+3=6,3×3=9,因此分成的数中若有三个2,则不如换成两个3,换句话说,分成的数中至多只能有两个2,其余都是3。

根据上面的讨论,我们应该把14分拆成四个3与一个2之和,即14=3+3+3+3+2,这五数的积有最大值

3×3×3×3×2=162。

说明:这类问题最早出现于1976年第18届国际数学奥林匹克试卷中。该试卷第4题是:

若干个正整数的和为1976,求这些正整数的积的最大值。

答案是2×3658。

这是由美国提供的一个题目,时隔两年,它又出现在美国大学生数学竞赛中。1979年美国第40届普特南数学竞赛A-1题是:

求出正整数n及a1,a2,…,an的值,使a1+a2+…+an=1979且乘积最大。

答案是n=660。

1992年武汉市小学数学竞赛第一题的第6题是:

将1992表示成若干个自然数的和,如果要使这些数的乘积最大,这些自然数是____。

答案:这些数应是664个3。

上述三题的逻辑结构并不随和的数据而改变,所以分别冠以当年的年份1976,1979和1992,这种改换数据的方法是数学竞赛命题中最简单的方法,多用于不同地区不同级别不同年份的竞赛中,所改换的数据一般都是出于对竞赛年份的考虑。将上述三题的结论推广为一般情形便是:

把自然数S(S>1)分拆为若干个自然数的和:

S=a1+a2+…+an,

则当a1,a2,…,an中至多有两个2,其余都是3时,其连乘积m=a1a2…an有最大值。

例11 把1993分拆成若干个互不相等的自然数的和,且使这些自然数的乘积最大,该乘积是多少?

解:由于把1993分拆成若干个互不相等的自然数的和的分法只有有限种,因而一定存在一种分法,使得这些自然数的乘积最大。

若1作因数,则显然乘积不会最大。把1993分拆成若干个互不相等的自然数的和,因数个数越多,乘积越大。为了使因数个数尽可能地多,我们把1993分成2+3…+n直到和大于等于1993。

若和比1993大1,则因数个数至少减少1个,为了使乘积最大,应去掉最小的2,并将最后一个数(最大)加上1。

若和比1993大k(k≠1),则去掉等于k的那个数,便可使乘积最大。

所以n=63。因为2015-1993=22,所以应去掉22,把1993分成

(2+3+…+21)+(23+24+…+63)

这一形式时,这些数的乘积最大,其积为

2×3×…×21×23×24×…×63。

说明:这是第四届“华杯赛”武汉集训队的一道训练题,在训练学生时,发现大多数学生不加思索地沿用例10的思考方法,得出答案是3663×4,而忽视了题中条件“分成若干个互不相等的自然数的和”。由此可见,认真审题,弄清题意的重要性。

例12 将1995表示为两个或两个以上连续自然数的和,共有多少种不同的方法?

分析与解:为了解决这个问题,我们设1995可以表示为以a为首项的k(k>1)个连续自然数之和。首项是a,项数为k,末项就是a+k-1,由等差数列求和公式,得到

化简为

(2a+k-1)×k=3990。(*)

注意,上式等号左边的两个因数中,第一个因数2a+k-1大于第二个因数k,并且两个因数必为一奇一偶。因此,3990有多少个大于1的奇约数,3990就有多少种形如(*)

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