Квант
Математический кружок

Размышляя об одной олимпиадной задаче

Саннинский В. Я.

37

Значит, если вы собирались делать построения циркулем и линейкой и забыли дома линейку, не беда — можно обойтись одним циркулем; если же вы забыли циркуль — попросите его утоварища и нарисуйте им одну окружность, предварительно пометив ее центр; после этого вы можете построить что угодно одной линейкой. (Хуже, конечно, если вы забыли дома и циркуль, и линейку — здесь уже наука бесcilна вам помочь.)

Размышляя об одной оптимальной задаче

В. Я. САННИНСКИЙ

Олимпидные задачи полезны не только для проверки математических способностей вжестих условий соревнования. В более способной области, когда есть время на размышление, конкурсная задача может стать источником небольшого самостоятельного исследования, чем-то напоминающего сервисное математическое творчество.

Я показую это на примере следующей задачи на доказательство, встречающейся во многих конкурсных сборниках:

Если все простые числа, начная с 5, запутеваны в порядке возрастания, то каждое запутеванное простое число будет больше своего утренного номера.

Попробуйте доказать это самостоятельно. Это не очень трудно, я, например, придумал доказательство довольно быстро*. Однако после этого я не бросил задачу, а стал размышлять над ее формулировкой. И сразу возник вопрос: причем здесь числа 5 и 3, нельзя ли взять другие числа? Это подсказывает об обценке задачи — вместе пары чисел (3, 5) расстоять произвольную пару (k,p)(k, p), где kk — натуральное, а pp — простое. Получилось утверждение, которое я назвал

Y(k,p)Y(k, p): если все простые числа, начная с pp, запутевать в порядке

*) Я воспользовался тем, что средние последовательных чисел 9n,9n+1,…,9n+8,n=1,2,3,…9n, 9n+1, \dots, 9n+8, n=1, 2, 3, \dots, может встретиться не более трех простых.

возрастания, то каждое запутеванное простое число больше чем его номер, умноженный на kk.

Одна беда. Это утверждение не всегда верно (не для всех kk и pp). Например, Y(3,3)Y(3,3) — ложно (простое число 13 меньше, чем его утроенный номер: 13<3×5=1513 < 3 \times 5 = 15). С другой стороны, мы знаем, что Y(3,5)Y(3,5) — верно (это утверждение нашей исключной задачи). Ну а тогда возникает задача описания всех хороших пар (k,p)(k, p), то есть таких пар, для которых Y(k,p)Y(k, p) верно.

Чтобы решить ее, я начал пробовать различные небольшие пары, и быстро нашел несколько нежорших (например, (4,5),(6,3)(4,5), (6,3)) и несколько хороших пар (⟨1,2⟩,(2,3),(2,5),(3,7))(\langle 1,2\rangle, (2,3), (2,5), (3,7)). Советуючитатель превращать чтение на этом месте и тоже пробовать небольших пар.

Далее читатель не последовал моему совету, он легкооймет, что из справедливости Y(k,p)Y(k, p) вытекает справедливость U(k′,p′)U(k', p'), если k′≤kk' \leq k и p′≥pp' \geq p. Я тоже это быстро заметил и поэтому решил не искать все хорошие пары, а искать только неулучшемые пары (k,p)(k, p), то есть такие, для которых верно Y(k,p)Y(k, p), но ложно Y(k′,p′)Y(k', p') при p′>kp' > k и ложно Y(k′,p′)Y(k', p') при p′<pp' < p. Так возникала новая задача: найти все неулучшемые пары.

Упражнение 1. Докажите, что пары (1,2),(2,3)и(3,5)(1,2), (2,3) и (3,5) неулучшемые.

Я это доказал, как наверно и читатель, без особого труда и взгляда за следующее пару — (4,7)(4,7). Она оказалась не хорошей: 7>4⋅1,11>4⋅2,13>4⋅3,17>4⋅47 > 4 \cdot 1, 11 > 4 \cdot 2, 13 > 4 \cdot 3, 17 > 4 \cdot 4, но неверно, что 19>4⋅519 > 4 \cdot 5. Я перешел к следующей паре — (4,11)(4,11) — и начал пробовать 11>4⋅1,13>4⋅2,…,29>4⋅6,31>4⋅7,…11 > 4 \cdot 1, 13 > 4 \cdot 2, \dots, 29 > 4 \cdot 6, 31 > 4 \cdot 7, \dots. Вскоре мне это надоело, и я решил, что у меня есть правдоположная гипотеза: пара (4,11)(4,11) неулучшема. Признаюсь, мне пришлось немало повозиться, преждеем чем я сумел ustановить справедливость этой гипотезы.

38

Рассудал я так. Пусть p1=11,p2=13,...,pn,...p_1 = 11, p_2 = 13, ..., p_n, ... интеграция нас нужнация. Чтобы доказать Y(4,11)Y(4, 11), нужно установить неравенство pn>4np_n > 4n для всех n∈Nn \in \mathbb{N}. Возьмем число m=210=2⋅3⋅5⋅7m = 210 = 2 \cdot 3 \cdot 5 \cdot 7 (произведения всех простых чисел, меньших 11) и разобем множество натуральных чисел n≥11n \geq 11 на mm классов, в зависимости от остатка при их делении на mm. Именно, к rr-ому классу KrK_r, r=0,1,...,m−1r = 0, 1, ..., m - 1 отнесем все числа вида n=tm+rn = tm + r, где t∈Nt \in \mathbb{N}. тогда каждое натуральное число nn попадаетровно в один класс KrK_r — именно, в класс с номером rr, равным остатку от деления nn на m=210m = 210. Выбросим из списка K0,K1,...,Km−1=K209K_0, K_1, ..., K_{m-1} = K_{209} все классы, номера которых — составные числа. Другими словами, остатим в списке лишь те классы, номера которых взаимно просты с mm. Заметим, что все рассматриваемые простые числа p1,p2,...,pnp_1, p_2, ..., p_n … находятся в осташих классах (почему?). Обозначим номера осташих классов через a1,a2,a3,...a_1, a_2, a_3, ..., например, a1=11,a2=13,...,a47=209a_1 = 11, a_2 = 13, ..., a_{47} = 209.

Уражение 2. Найдите все номера (их φ(m)=φ(210)=48\varphi(m) = \varphi(210) = 48) осташих классов и проверите, что для них выполяется неравенство an>4na_n > 4n, где n=1,2,...,48n = 1, 2, ..., 48.*

Занутем теперь в порядке возрастания все числа, находящиеся в осташих классах. Этот список начинается с уже известных нам чисел a1,a2,a3,...a_1, a_2, a_3, ..., но не оборвется на a48=211a_{48} = 211, а поддет дальше: a49=217,a50=221,...a_{49} = 217, a_{50} = 221, .... Тогда оченьindo, что an≤pna_n \leq p_n для всех n=1,2,...n = 1, 2, ... (ведь наши простые числа p1,p2,...p_1, p_2, ... находятся среди осташих чисел a1,a2,...a_1, a_2, ...). Поэтому нам достаточно доказать неравенство an>4na_n > 4n (для всех nn). Для первых 48 чисел a1,...,a48a_1, ..., a_{48} оно уже проверено (упражнение 2), для дальнейших nn мы его докажем по индукции. Индукцию будет вести по вспомогательному параметру tt при фиксированном rr (r=1,2,...,48r = 1, 2, ..., 48), то есть проверем доказательство для всех чисел из класса с номером ara_r. Любое число asa_s из этого класса представляется в виде as=t⋅210+ra_s = t \cdot 210 + r. Начало индукции уже есть (мы проверили, что при t=0t = 0 число ara_r удовлетворяет неравенству ar>4ra_r > 4r). Пусть (индукционное предложение), as=210⋅t+r>4sa_s = 210 \cdot t + r > 4s. Нам нужно установить неравенство 210(t+1)+r>4(s+48)210(t + 1) + r > 4(s + 48), либо s+48s + 48 — номер следующего числа 210(t+1)+r210(t + 1) + r из рассматриваемого класса (с номером ara_r). Но оно сразу следует из индукционного предложения и оченьного неравенства 210>4⋅48210 > 4 \cdot 48. Утверждение Y(4,11)Y(4, 11) доказано.

Уражение 3. Проверите, что при k>5k > 5 утверждение Y(k,11)Y(k, 11) неверно.

Так как Y(4,7)Y(4, 7) неверно то же, мы установили, что пара (4,11)(4, 11) действительное неулучшаема.

Проблем продвижется дальше — будем искать неулучшаемую пару вида (5,p)(5, p).

Уражение 4. Проверите, что пары (5,p)(5, p) не являются хорошими при p<23p < 23, также как и пара (6,23)(6, 23).

Исследование пары (5,23)(5, 23) (23>5⋅1,29>5⋅2,31>5⋅3(23 > 5 \cdot 1, 29 > 5 \cdot 2, 31 > 5 \cdot 3 и т. д.) приводит к

*) Классы K0,K1,...,Km−1K_0, K_1, ..., K_{m-1} называются классами вычетов по модулю mm. Число этих классов с номерами взаимно простыми с mm обозначается φ(m)\varphi(m); функция φ\varphi называется функцией Эйлера.

очередной гипотезе: пара (5,23)(5, 23) неулучшаема.

Справедливо есть той гипотезы можно установить, рассуждая так же, как для пары (4,11)(4, 11). То есть взять m=2⋅3⋅5⋅7⋅11⋅13⋅17⋅19=9699690m = 2 \cdot 3 \cdot 5 \cdot 7 \cdot 11 \cdot 13 \cdot 17 \cdot 19 = 9699690, рассмотреть классы вычетов по модулю mm, из них выделить φ(m)=1658880\varphi(m) = 1658880 классов, взаимно простых с mm, занимает в все числа (начиная с 23) из выделенных классов в порядке возрастания (a1,a2,...)(a_1, a_2, ...) и доказать по индукции, что неравенство an>5na_n > 5n (из которого следует pn>5np_n > 5n для выбранной номера простых чисел p1=23,p2=29,...p_1 = 23, p_2 = 29, ...) верно для любого числа ana_n из данной класса, если оно верно для номера ana_n этого класса. Тогда остется «только» проверить, что неравенство an>5na_n > 5n выполняется для всех nn от 1 до φ(m)=1658880\varphi(m) = 1658880. Конечно, эта проверка неоспользовна для человека. Пришлось ее поручить машине; ЭВМ ЕС — 1045 за 6 минут для ответ; действительно, an>5na_n > 5n при n=1,2,...,φ(m)n = 1, 2, ..., \varphi(m). Гипотеза о неулучшаемости пары (5,23)(5, 23) установлен.

В современной математике такое встречается часто: логическими рассуждениями математик свойит задачу проверки бесконечного набора утверждений (у нас — неравенств) к конечному (но большому) набору, а уже утверждения этого набора проверяет ЭВМ.

Каковы дальнейшие перспективы? Пониск следующей неулучшаемой пары (вида (6,p)(6, p)) приводит к числам, на пределе возможности ЭВМ ЕС — 1045, а пары вида (7,p)(7, p) — завершено не подаются нашему подходу. Позатем я пробовал иначе обобщить исходную задачу и пришел к следующей формулировке:

Торема. Простые числа растут быстрое любой линейной функции от их номера; иначе говоря, если p1=2,p2=3,...,pn,...p_1 = 2, p_2 = 3, ..., p_n, ... последовательность всех простых чисел в порядке возрастания, то для любых kk и bb неравенство pn>kn+bp_n > kn + b выполняется для всех nn, больших некоторого n0n_0 (зависящего от kk и bb).

Попробyte и вы доказать эту известную дальше? Например, можно было попробовать доказать, что простые числа растут медленнее, чем многолен второй степени от их номера. Но это уже трудная задача: мы приближаем к переднему краю науки, и двигать дальше можно только изучить труды наших великих предшественников — Эйлера, Лагранжа, Гаусса, Римана, Чебышева.