Квант

13

В этой статье мы будем сравнить между собой числа. Постоянным будет вопрос: какое из чисел больше? Кое- кто из вас может подумать: «Что тут справивать! Всем ясно, что десять больше пяти, а сто меньше тысячи». Ну что же, прочитав эту заметку, вы, верятно, согласитесь, что ответ на этот вопрос бывают очень и очень непростим.

Начнем с такой задачи.

Задача 1. Какое число больше: 231002^{3100} или 321003^{2100}?

Решение. Докажем, что 23100>321002^{3100} > 3^{2100}. Действительно, 23100=4322^{3100} = 4^{\frac{3}{2}}. Поэтому достаточно доказать, что 32>2100\frac{3}{2} > 2^{100} или что (32)100>2(\frac{3}{2})^{100} > 2. Но уже (32)2>2(\frac{3}{2})^2 > 2, так что (32)100(\frac{3}{2})^{100} и подавно больше 2. Из нашего решения видно, что 232>3222^{32} > 3^{22}. Из этого факта (его нетрудно проверить и неосредственно) легко вывести другое решение задачи.

Следующая задача чут-чут сложнее.

Задача 2. Какое число больше: 510+6105^{10} + 6^{10} или 7107^{10}?

Первое решение. Докажем, что 510+610<7105^{10} + 6^{10} < 7^{10}. Так как 510+610<2⋅6105^{10} + 6^{10} < 2 \cdot 6^{10}, то достаточно доказать, что (76)10>2(\frac{7}{6})^{10} > 2. После нее неравенство следует из неравенства Бернулина («Алгебра и начала анализа 9», п. 2):

(76)10=(1+16)10>1+10⋅16>2.\left(\frac{7}{6}\right)^{10} = \left(1 + \frac{1}{6}\right)^{10} > 1 + 10 \cdot \frac{1}{6} > 2.

Второе решение. Заметим, что 53+63=341<343=735^3 + 6^3 = 341 < 343 = 7^3.

Поэтому (57)3+(67)3<1\left(\frac{5}{7}\right)^3 + \left(\frac{6}{7}\right)^3 < 1. Так как (57)10<(57)3\left(\frac{5}{7}\right)^{10} < \left(\frac{5}{7}\right)^3 и (67)10<(67)3\left(\frac{6}{7}\right)^{10} < \left(\frac{6}{7}\right)^3; получаем (57)10+(67)10<1\left(\frac{5}{7}\right)^{10} + \left(\frac{6}{7}\right)^{10} < 1. Значит, 510+610<7105^{10} + 6^{10} < 7^{10}.

Задача 3. Какое из десяти чисел 110,29,38,47,56,65,74,83,92,1011^{10}, 2^9, 3^8, 4^7, 5^6, 6^5, 7^4, 8^3, 9^2, 10^1 самое большее?

Решение. Очевидно, что 29>1102^9 > 1^{10}. Докажем, что 383^8 больше 292^9. Действительно, 38=94>84=212>293^8 = 9^4 > 8^4 = 2^{12} > 2^9. Тепер сравним 474^7 и 383^8: 47>38⇒(43)7>34^7 > 3^8 \Rightarrow \left(\frac{4}{3}\right)^7 > 3. Осталось заметить, что (43)7=(1+13)7>1.+7⋅13>3\left(\frac{4}{3}\right)^7 = \left(1 + \frac{1}{3}\right)^7 > 1. + 7 \cdot \frac{1}{3} > 3.

Итак, из первых четырех чисел самое большее 474^7.

Докажем теперь, что 47>56>65>74>83>92>1014^7 > 5^6 > 6^5 > 7^4 > 8^3 > 9^2 > 10^1. Из 47>56⇔(54)6<44^7 > 5^6 \Leftrightarrow \left(\frac{5}{4}\right)^6 < 4 и (54)6=(12564)2<22=4\left(\frac{5}{4}\right)^6 = \left(\frac{125}{64}\right)^2 < 2^2 = 4 следует 47>564^7 > 5^6.

Неравенства 56>655^6 > 6^5 и 65>746^5 > 7^4 доказываются аналогично.

Неравенства 74>83>92>1017^4 > 8^3 > 9^2 > 10^1 очень видны.

Таким образом, самое большее среди них еще раз вернемся к этой задаче и приведем менее «выкладочное» решение.

Задача 4. Какое число больше: 1n+2n+3n+⋯+9n1^n + 2^n + 3^n + \dots + 9^n или 10n10^n?

Решение. Легко видеть, что при маленьких nn 1n+2n+⋯+9n1^n + 2^n + \dots + 9^n больше, чем 10n10^n. Действительно, 1+2+⋯+9>101 + 2 + \dots + 9 > 10; 12+22+32+⋯+92>1021^2 + 2^2 + 3^2 + \dots + 9^2 > 10^2; 13+23+⋯+93>93+83=729+512>1000=1031^3 + 2^3 + \dots + 9^3 > 9^3 + 8^3 = 729 + 512 > 1000 = 10^3.

Прежде чем рассматривать другие значения nn, заметим, что если при некотором nn 1n+2n+⋯+9n<10n1^n + 2^n + \dots + 9^n < 10^n, то для всех m>nm > n тем более 1m+2m+⋯+9m<10m1^m + 2^m + \dots + 9^m < 10^m. Действительно, при перехождение к большим значениям пока-