Квант
Разное

Интегралом — по счастливым билетам!

52

Интегалом — по частливым билетам!

В редактию пришло письмо от нашего старого читателя Б. Ивякина. В нем он задает следующий вопрос:
«В журнале было помещено несколько статей о счастливых билетах. Однако окончательной формулы ни в одной из них не получено. Хотя мне ясно, что задать число счастливых 2n-значных билетов простой формулы нельзя, мне все-tаки кажется, что такая формула должна существовать. Прав я или нет?»
Obviously мы не ответаем на такие неопределенные вопросы. Однако Борису повезло — после получения его письма мы получили сразу два ответа на его вопрос.
Мы думаем, что и другом читателем будет интересна содержащаяся в них формула.
(Напоминаем, что счастливым называется билет, у которого сумма первых трех цифр равна сумме последних трех.)

Много ли счастливых билетов? Часто ли они попадаются?

Этот вопрос уже обсуждался на страницах нашего журнала; было выясено, что из миллиона билетов с шестизначными номерами (от 000 000 до 999 999) счастливых — 55 252, т. е. приблизительно один из каждой 18 билетов является счастливым.

Как водится у математиков, решалась и более общая задача — о количестве C2nC_{2n} счастливых 2n-значных чисел (ясно, что под этим понятие; например, 0 035 120 115 — счастливое десятинаное число). Явной формулы для C2nC_{2n} установлено не было — были получены лишь рекуррентные соотношения («Квант», 1976, № 12, с. 68).

Но вот в редактию пришли два письма. Первое прислали в февралье М. Мнацаканян и А. Меликян, а второе — в марте — Р. Айдагульов. И в том, и в другом содержится одна и та же явная формула для C2nC_{2n}. Вот эта замечательная формула:

C2n=1π∫0π(sin⁡10xsin⁡x)2ndx.(1)C_{2n} = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \left( \frac{\sin 10x}{\sin x} \right)^{2n} dx. \tag{1}

Интересно, что эта формула была полученасовсем разными методами: М. Мнацаканян и А. Меликян пользовются произвольными функциями (т. е. функциониальным аналізом), в то время как Р. Айдагульов описается на метод трионометрических сумм (аналитическая теория чисел). К сожалению, их доказательства, хотя и не сложные, все же выходит за рамки школьной математики и не могут быть опубlikованы в нашем журнале. Сейчас мы даим элементарное доказательство формулы (1), воспользовавшись рекуррентными соотношениями, о которых говорилось выше. Напомним их.

Для этого обозначим через Pm(s)P_m(s) количество mm-значных чисел (m=1,2,3,...m=1, 2, 3,...), сумма цифр каждого из которых равна ss. Таким образом, Pm(s)=0P_m(s)=0 при s<0s<0 и s>9ms>9m. Очевидно, Pm(0)=1P_m(0)=1.

Так как mm-значное число с суммой цифр ss получается из (m−1)(m-1)-значного числа с суммой цифр jj (где s−9≤j≤ss-9 \leq j \leq s) добавленем цифры s−js-j, можно написать

Pm(s)=∑j=s−9sPm−1(j).P_m(s) = \sum_{j=s-9}^{s} P_{m-1}(j).

Это и есть соотношение, о которых говорилось выше. Подставив в них s+1s+1 вместе ss, после вычитания получим

Pm(s+1)−Pm(s)=Pm−1(s+1)−Pm−1(s−9).(2)P_m(s+1) - P_m(s) = P_{m-1}(s+1) - P_{m-1}(s-9). \tag{2}

Как пользоваться этим соотношением для вычисления Pm(s)P_m(s)? Взгляните на рис. 1. Если при фиксированном mm известны все Pm−1(s)P_{m-1}(s) (т. е. все (m−1)(m-1)-строка) и хотя бы один элемент Pm(s0)P_m(s_0) mm-й строки, то формула (2) позволяет, двигаясь вправо и впево, вычислить остальные элементы mm-й строки (поясните!). Но для любого mm

Pm(0)=1(2’)P_m(0) = 1 \tag{2'}

и

P1(s)={1, если 0≤s≤9,0, если s<0 или s>9.(2”)P_1(s) = \begin{cases} 1, \text{ если } 0 \leq s \leq 9, \\ 0, \text{ если } s < 0 \text{ или } s > 9. \end{cases} \tag{2''}

53

Таким образом, формулы (2), (2′), (2″) позволяют вычислить все числа Pm(s)P_m(s).

Возьем темер любое частливое 2n-значное число и заменим последнее nn цифр их дополнениями до 9. Тогда получится 2n-значное число, сумма цифр которого равна 9n. Легко понять, что

C2n=P2n(9n).C_{2n} = P_{2n}(9n).

Формула (3) дает возможность вычислить число C2nC_{2n}.

Чтобы доказать (1), положим

Pˉm(s)=1π∫0π(sin⁡10xsin⁡x)mcos⁡(9m−2s)xdx.\bar{P}_m(s) = \frac{1}{\pi} \int_0^{\pi} \left( \frac{\sin 10x}{\sin x} \right)^m \cos(9m-2s) x dx.

Оказывается,

Pˉm(s)=Pm(s).\bar{P}_m(s) = P_m(s).

Из формул (3), (5) и (4) сразу следует (1). Таким образом, нам остается доказать (5), для чего достаточно проверить, что числа Pm(s)P_m(s) удовлетворяют равенствам (2), (2′), (2″). Подставляя (4) в (2), получим соответствие

1π{∫0π(sin⁡10xsin⁡x)m[cos⁡(9m−2s−2)x−cos⁡(9m−2s)]dx}=1π{∫0π(sin⁡10xsin⁡x)m−1[cos⁡(9m−9−2s−2)x−cos⁡(9m−9−2s+18)x]dx},\frac{1}{\pi} \left\{ \int_0^{\pi} \left( \frac{\sin 10x}{\sin x} \right)^m \left[ \cos(9m-2s-2) x - \cos(9m-2s) \right] dx \right\} = \frac{1}{\pi} \left\{ \int_0^{\pi} \left( \frac{\sin 10x}{\sin x} \right)^m - 1 \left[ \cos(9m-9-2s-2) x - \cos(9m-9-2s+18) x \right] dx \right\},

равно сcilное соответствие

∫0π(sin⁡10xsin⁡x)m−1[sin⁡10xsin⁡x][cos⁡(9m−2s−2)x−cos⁡(9m−2s−11)x−cos⁡(9m−2s+9)x]dx=0,\int_0^{\pi} \left( \frac{\sin 10x}{\sin x} \right)^m - 1 \left[ \frac{\sin 10x}{\sin x} \right] \left[ \cos(9m-2s-2) x - \cos(9m-2s-11) x - \cos(9m-2s+9) x \right] dx = 0,

которое верно (легко соччитать, что тригонометрическое выражение в квадратной скобке тоже действено равно нулю).

Таким образом, рекуррентное соответствие (2) для Pˉm(s)\bar{P}_m(s) выполняно. Осталось проверить базис индукции (2′) и (2″). Второе из этих соответствий проверяется непосредственно (например, при m=1m=1 и s>9s>9 подинтегральное выражение преобразуется в сумму косинусов углов кратных xx), а вот (2′) доказывается не так просто, и нам придется предприятить обходной маневр.

Вспомним, что вместе (2′) достаточно проверить любое другое соответствие на mm-й строке, например Pˉm(10m)=0\bar{P}_m(10m) = 0 Это уже не сложное (но громоздкое) упражнение на тригонометрическе преобразования, которое мы оставим читателю. На этом доказательство формулы (5) заканчивается.

Внимательный читатель, наверное, задал себе вопрос — откуда взяла формула (4)? Конечно, формульно можно считать, что мы ее угадали так же, как мы «угадали» формулу (1). На самом же деле формула (4), как и формула (1), была извлечена из письма М. Мнацаканяна и А. Меликаяна, т. е. использованая готовый результат. Ведь наш метод доказательства, в отличие от метода P. Айдагулова и метода M. Мнацаканяна и А. Меликаяна, не дает возможность обнаружить формулу (1), а только позволяет проверить ее.

В заключение предлагаем читателям доказать следующие формулы (1) для числа сcilных чисел в системе сcilения по основанию kk:

C2nk=1π∫0π(sin⁡kxsin⁡x)2ndx.C_{2n}^k = \frac{1}{\pi} \int_0^{\pi} \left( \frac{\sin kx}{\sin x} \right)^2n dx.