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2018年1月19日 星期五

2018-01-19:數學歸納法一題

臉書好友Liu M. C.轉來一道題目徵詢我的意見,我專精中學數學,所以就獻了一回醜。

==題目==


對於任意正整數n,證明nn!n+12

==解答==


首先,原來要求證的命題【nn!n+12】等價於【n!(n+12)n】。因此我們逕直處理等價命題即可。

n=1時,左式=1!=1,右式=(1+12)1=1,得左式右式,命題成立。

n1時成立,即有
(n1)![(n1)+12]n1.
整理得
(n1)!(n2)n1.
(此即我們的「歸納假設(Inductive Hypothesis)」)

n時,
\begin{eqnarray*} \left( \frac{n+1}{2} \right)^n &=& \left( \frac{n}{2} + \frac{1}{2} \right)^n \\ &=& \sum_{k=0}^{n} {n \choose k} \left( \frac{n}{2} \right)^{n-k} \left( \frac{1}{2} \right)^k \\ &=& \left( \frac{n}{2} \right)^n + n \cdot \left( \frac{n}{2} \right)^{n-1} \cdot \left( \frac{1}{2} \right) + \ldots + \left( \frac{1}{2} \right)^n \\ &\geq& \left( \frac{n}{2} \right)^n + n \cdot \left( \frac{n}{2} \right)^{n-1} \cdot \left( \frac{1}{2} \right) \\ &=& \left( \frac{n}{2} \right)^{n-1} \left[ \left( \frac{n}{2} \right) + \frac{n}{2} \right] \\ &=& \left( \frac{n}{2} \right)^{n-1} \cdot n \\ &\geq& (n-1)! \cdot n \\ &=& n! \end{eqnarray*}
故由數學歸納法得證。
(解答結束)

==附註==

可能會有人批評我所用的數學歸納法證明格式不太合乎一般課本所教的方式,這裡我有兩點聲明:
1. 我所用的格式,與中國、俄國的寫法是一致的。而我更喜歡這樣的寫法,因為不用再額外引進一個變數k
2. 數學歸納法就是個方法,不應在這種無關緊要的地方琢磨。真要說嚴格,那是不是全部改成用集合的語言的那種寫法?神經病!

2018年1月18日 星期四

2018-01-18:103學測,選填F,平面拼鋪問題

=問題=

一個房間的地面是由12個正方形所組成,如圖。
今想用長方形瓷磚舖滿地面,已知每一塊長方形瓷磚可以覆蓋兩個相鄰的正方形,即
則用6塊瓷磚舖滿房間地面的方法有多少種?
[103,學測,選填F]

=解法=

定義
為第I型磁磚;
為第II型磁磚。

觀察所要鋪設的區域,設左下角的兩塊為A和B,如圖所示。

A和B覆蓋的情況有2種可能,如圖所示。

如果是
那麼只要考慮上半部即可。

假定使用了x個第I型、y個第II型。那麼由橫向的個數可得方程式
2x+y=5.
討論此方程式的整數解有:(x, y) = (0, 5), (1, 3), (2, 1)

對於(x, y) = (0, 5),此時的拼貼方式有\frac{5!}{5!}=1種。如圖所示。
對於(x, y) = (1, 3),此時的拼貼方式有\frac{4!}{3!}=4種。如圖所示。
對於(x, y) = (2, 1),此時的拼貼方式有\frac{3!}{2!}=3種。如圖所示。
綜合上述,如果A和B係由第I型磁磚所覆蓋,那麼總共有1+4+3=8種拼鋪方法。

如果是
那麼左半部必定是如下拼鋪
此時只要討論右半部即可。

假定使用了x個第I型、y個第II型。那麼由橫向的個數可得方程式
2x+y=3.
討論此方程式的整數解有:(x, y) = (0, 3), (1, 1)

對於(x, y) = (0, 3),此時的拼貼方式有\frac{3!}{3!}=1種。如圖所示。
對於(x, y) = (1, 1),此時的拼貼方式有2!=2種。如圖所示。
綜合上述,如果A和B係由第II型磁磚所覆蓋,那麼總共有1+2=3種拼鋪方法。

我們必須要留心,以上所列舉出的拼鋪方式,是否有滿足題目所限定的「用6塊瓷磚」。而我們的答案是沒問題的。

所以本題答案為8+3=11種。