Kvant
Bài chính

Sức mạnh của hai có thường bắt đầu bằng một không?

Болтянский В. Г.

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

2

V. Boltyansky

Sức mạnh của hai có thường bắt đầu bằng một không?

Sản xuất bài toán
Các lũy thừa trung bình của hai số bắt đầu bằng một xuất hiện lặp đi lặp lại. Chúng xảy ra thường xuyên như thế nào? Nói cách khác, xác suất để một số được chọn ngẫu nhiên từ các số 21,22,…,2n2^1, 2^2, \ldots, 2^n bắt đầu bằng chữ số 1 là an/na_n/n là bao nhiêu. Xác suất này phụ thuộc vào nn, tức là vào số lũy thừa bậc nhất của 2 đã được lấy. Giới hạn

p1=lim⁡n→∞ann,p_1 = \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n},

(nếu nó tồn tại) và được gọi là xác suất để một số tự nhiên bất kỳ chia hết cho 3?

  1. Xác suất để một chữ số tùy ý trong phép khai triển thập phân của số 161222\frac{161}{222} là số năm là bao nhiêu? Gấp đôi?

  2. Xác suất để một số tự nhiên bất kỳ là số chính phương là bao nhiêu?

Vượt quá giới hạn (1)

Trong số các số có hai chữ số là lũy thừa của hai, có chính xác một số (cụ thể là 16) bắt đầu bằng một. Trong số lũy thừa ba chữ số của hai, có đúng một số (cụ thể là 128) bắt đầu bằng một. Điều tương tự cũng đúng với lũy thừa bốn chữ số của hai.

Nói chung, đối với k>1k > 1, trong số các số kk chữ số là lũy thừa của hai, có chính xác một số bắt đầu bằng chữ số 1. Thật vậy, số kk chữ số nhỏ nhất là lũy thừa của hai nhất thiết phải bắt đầu bằng một (nếu không, chia cho 2, chúng ta sẽ nhận được rằng lũy ​​thừa trước đó của hai là số kk chữ số). Không có số nào khác bắt đầu bằng số 1 trong số lũy thừa kk chữ số của hai: lũy thừa tiếp theo của hai sẽ có số 2 hoặc 3 ở vị trí đầu tiên, số tiếp theo sẽ có số cao hơn nữa, cho đến khi chúng ta nhận được số (k+1)(k+1) chữ số.

Từ điều trên, suy ra rằng nếu số 2n2^n là mm chữ số, thì trong số các số 21,22,…,2n2^1, 2^2, \dots, 2^n có ​​chính xác m−1m-1 số bắt đầu bằng một, tức là an=m−1a_n = m-1. Nhưng câu lệnh “số 2n2^n là mm chữ số” có nghĩa là

10m−1≤2n<10m,10^{m-1} \leq 2^n < 10^m,

đó là

m−1≤nlg⁡2<m.m-1 \leq n \lg 2 < m.

Nhớ rằng an=m−1a_n = m-1, chúng ta nhận được

Hình 1.

lg⁡2−1n<ann≤lg⁡2,\lg 2 - \frac{1}{n} < \frac{a_n}{n} \leq \lg 2,

và do đó

p1=lim⁡n→∞ann=lg⁡2=0,30103...p_1 = \lim_{n \to \infty} \frac{a_n}{n} = \lg 2 = 0,30103...

Vì vậy, hơn 30% sức mạnh của hai đều bắt đầu bằng một.

3 adach và

  1. Chúng ta hãy biểu thị bằng pqp_q xác suất mà lũy thừa tùy ý của hai bắt đầu bằng số q∗q^*. Chứng minh đẳng thức

p2+p3=p1,p4+p5=p2,p6+p7=p3,p8+p9=p4.p_2 + p_3 = p_1, \quad p_4 + p_5 = p_2, \quad p_6 + p_7 = p_3, \quad p_8 + p_9 = p_4.

  1. Chứng minh rằng p4=1−3lg⁡2=0,096...p_4 = 1-3 \lg 2 = 0,096...

Như bạn có thể thấy, lũy thừa của hai bắt đầu bằng số 4 ít hơn ba lần so với số 1 (Hình 2).

Hình 2.

Chung bài toán

Xác suất để lũy thừa tùy ý của một số tự nhiên cho trước ll bắt đầu (theo ký hiệu thập phân) bằng chữ số qq là bao nhiêu?

Đặt số lnl^n bắt đầu bằng ký hiệu thập phân bằng chữ số qq, tức là.

q⋅10m≤ln<(q+1)⋅10m,q \cdot 10^m \leq l^n < (q+1) \cdot 10^m,

trong đó mm là một số tự nhiên. Chia các bất đẳng thức này cho q⋅10mq \cdot 10^m và tiếp tục gieo vần theo cơ số 10, ta được:

0≤(nlg⁡l−lg⁡q)−m<lg⁡q+1q.0 \leq (n \lg l - \lg q) - m < \lg \frac{q+1}{q}. (2)

Vì số bên phải nhỏ hơn một (q+1q=1+1q≤2<10\frac{q+1}{q} = 1 + \frac{1}{q} \leq 2 < 10) nên bất đẳng thức (2) có nghĩa là phần phân số của số nlg⁡l−lg⁡qn \lg l - \lg q nhỏ hơn lg⁡q+1q\lg \frac{q+1}{q} (hãy nhớ rằng phần phân số)

*) Sự tồn tại của số pqp_q suy ra điều gì sau đây.

4

số xx là hiệu giữa số xx và phần nguyên của nó: {x}=x−[x]\{x\} = x - [x] và phần nguyên xx là số nguyên lớn nhất không vượt quá xx). Ngược lại, nếu phần phân số của số nlg⁡l−lg⁡qn \lg l - \lg q nhỏ hơn lg⁡q+1q\lg \frac{q+1}{q}, nghĩa là, nếu đối với một số tự nhiên mm bất đẳng thức (2) nào đó được thỏa mãn thì lnl^n bắt đầu bằng ký hiệu thập phân với số qq. Do đó, bài toán đã cho tương đương với giá trị sau: xác suất để bất kỳ số tự nhiên nào nn là bao nhiêu

{nlg⁡l−lg⁡q}<lg⁡q+1q\{n \lg l - \lg q\} < \lg \frac{q+1}{q}

bài toán cuối cùng này sẽ giúp chúng ta giải quyết

Định lý phần phân số xx. Giả sử α,β\alpha, \beta là số thực, hơn nữa, số α\alpha là số vô tỷ và II là một khoảng có độ dài hh chứa trong khoảng [0, 1]. Khoảng cách đến chuỗi vô hạn α+β,2α+β,…,nα+β,…\alpha + \beta, 2\alpha + \beta, \dots, n\alpha + \beta, \dots. Xác suất để bất kỳ số nào trong dãy này có phần phân số thuộc khoảng II đều bằng hh.

Chúng tôi sẽ chứng minh định lý này ở cuối bài viết, nhưng bây giờ chúng tôi sẽ chỉ ra cách nó áp dụng cho lời giải bài toán của chúng tôi.

Trước hết, hãy lưu ý rằng nếu ll là lũy thừa của mười thì tất cả lũy thừa của ll đều bắt đầu bằng chữ số 11, tức là trong trường hợp này bài toán là tầm thường.

Nếu ll không phải là lũy thừa của mười thì số α=lg⁡l\alpha = \lg l chính là hiệu. Theo định lý phần phân số, xác suất để một số tùy ý được lấy từ chuỗi nlg⁡l−lg⁡qn \lg l - \lg q (n=1,2,…n = 1, 2, \dots) có phần phân số thuộc khoảng [0,lg⁡q+1q],\left[0, \lg \frac{q+1}{q}\right], bằng lg⁡q+1q.\lg \frac{q+1}{q}. Điều này cho ra lời giải được xem xét ở trên bài toán: xác suất mà một số toàn cầu tùy ý ll (không phải là lũy thừa của mười) bắt đầu bằng số đó qq, bằng lg⁡q+1q.\lg \frac{q+1}{q}.

Lưu ý rằng xác suất này không phụ thuộc vào l!l!. Ví dụ, lũy thừa của hai và lũy thừa của ba thường xuyên như nhau (cụ thể là với xác suất lg 2) bắt đầu bằng số 1.

3 adach và

  1. Chứng minh rằng nếu số tự nhiên ll không phải là lũy thừa của mười thì số lg⁡l\lg l chơi được.

  2. Tính các xác suất p2,…,p9p_2, \dots, p_9 cho trong bài toán 4. Đưa ra chứng minh mới về các đẳng thức chứa trong đó.

  3. Xác suất để một lũy thừa tùy ý của hai bắt đầu bằng số 1000 (Hình 3) là bao nhiêu?

Hình 3.

  1. Xác suất để một lũy thừa tùy ý của ll (không phải là lũy thừa của mười) bắt đầu bằng tổ hợp chữ số q1q2…qrq_1 q_2 \dots q_r (trong đó q1≠0q_1 \neq 0) là bao nhiêu? Từ đó suy ra rằng lũy ​​thừa của số ll có thể bắt đầu bằng tổ hợp các chữ số q1q2…qrq_1 q_2 \dots q_r (q1≠0q_1 \neq 0).

  2. Chứng minh các khẳng định sau:

a) Xác suất để lũy thừa tùy ý của số ll, không phải là lũy thừa của mười, có chữ số thứ hai là 0, bằng

p0(2)=lg⁡(11⋅21⋅31⋅⋯⋅91)−lg⁡(9!)−9.p_0^{(2)} = \lg(11 \cdot 21 \cdot 31 \cdot \dots \cdot 91) - \lg(9!) - 9.

Gợi ý: p0(2)p_0^{(2)} là tổng các xác suất mà lũy thừa tùy ý của số ll bắt đầu bằng các tổ hợp 10, 20, …, 90.

  1. Xác suất để lũy thừa tùy ý của ll không phải là lũy thừa của mười, chữ số thứ kk (từ bên trái) là qq (trong đó k>1k > 1, q=0,1,…,9q = 0, 1, \dots, 9) là:

pk(2)=∑i=10k−1lg⁡(1+1q+10i).p_k^{(2)} = \sum_{i=10}^{k-1} \lg \left(1 + \frac{1}{q+10i}\right).

11*. Sử dụng kết quả bài toán 10, 6), chứng minh rằng lim⁡k→∞pk(2)=1/10\lim_{k \to \infty} p_k^{(2)} = 1/10. Do đó, đối với kk đủ lớn, mỗi xác suất pk(2),p1(2),…,p9(2)p_k^{(2)}, p_1^{(2)}, \dots, p_9^{(2)} dưới dạng góc nhỏ sẽ khác với 1/10.

6

số hạng của cấp số thứ hai, rằng mô hình chênh lệch của chúng nhỏ hơn 0,000001?

  1. Chúng tôi gọi khu rừng niềm vui là sự kết hợp của tất cả các vòng tròn có bán kính ε\varepsilon, tâm của chúng là các điểm có tọa độ nguyên. Chứng minh rằng nếu một đường thẳng tạo thành một góc φ\varphi với trục x, tiếp tuyến của nó vô tỉ thì nó nhất thiết phải cắt rừng (dù ε\varepsilon nhỏ đến đâu; Hình 5).

Chứng minh định lý

Bây giờ chúng ta chuyển sang chứng minh định lý trên phần phân số.

Hãy lấy một số tự nhiên tùy ý rr. Điểm 1r,2r,…,r−1r\frac{1}{r}, \frac{2}{r}, \dots, \frac{r-1}{r} chia đoạn [0,1][0, 1] thành rr đoạn có độ dài 1r\frac{1}{r}. Hãy gọi những phân đoạn này là “ô” và gọi phần phân số của các số α,2α,…,(r+1)α\alpha, 2\alpha, \dots, (r+1)\alpha “thỏ rừng”*). Vì có rr “ô” và r+1r+1 “thỏ rừng”, nên có hai “thỏ rừng” nằm trong một ô, tức là có p′p' và p′′p'' (p′>p′′p' > p'') tự nhiên sao cho phần phân số của các số p′αp' \alpha và p′′αp'' \alpha khác nhau ít hơn 1r\frac{1}{r}. Điều này có nghĩa là ∣(p′α−p′′α)−m∣<1r|(p' \alpha - p'' \alpha) - m| < \frac{1}{r} đối với một số nguyên mm. Bằng cách đặt p=p′−p′′p = p' - p'', chúng ta có thể viết: ∣pα−m∣=ε|p \alpha - m| = \varepsilon, trong đó ε<1r\varepsilon < \frac{1}{r}. Lưu ý rằng ε≠0\varepsilon \neq 0, vì α\alpha là vô tỉ. Chúng ta hãy biểu thị bằng ss số tự nhiên nhỏ nhất lớn hơn 1ε\frac{1}{\varepsilon}, tức là s−1⩽1ε<ss - 1 \leqslant \frac{1}{\varepsilon} < s.

Xét ss số hạng liên tiếp của cấp số cộng có hiệu pαp \alpha:

γ+pα,γ+2pα,…,γ+spα,\gamma + p \alpha, \gamma + 2p \alpha, \dots, \gamma + sp \alpha,

(3) trong đó γ\gamma là một số thực. Chúng ta hãy biểu thị phần phân số của số (3) bằng x1,x2,…,xsx_1, x_2, \dots, x_s. Do sự bằng nhau ∣pα−m∣=ε|p \alpha - m| = \varepsilon, các số x1,x2,…,xsx_1, x_2, \dots, x_s cách nhau ε\varepsilon (Hình 6). Do bất đẳng thức 1s<ε⩽1s−1\frac{1}{s} < \varepsilon \leqslant \frac{1}{s-1} khoảng cách giữa các điểm x1x_1

*) Thuật ngữ này liên quan đến nguyên lý Dirichlet («Kvant», 1977, số 2, trang 17). Định lý phần phân số có thể được gọi là “nguyên lý Dirichlet cho số lượng thỏ rừng vô hạn”.

Hình 6.

và xsx_s trong Hình 6, 6 nhỏ hơn ε\varepsilon. Từ điều trên, suy ra rằng số điểm x1,x2,…,xsx_1, x_2, \dots, x_s rơi trên đoạn ll có độ dài hh nằm giữa số hε−1\frac{h}{\varepsilon} - 1 và hε+2\frac{h}{\varepsilon} + 2, tức là giữa sh−2sh-2 và sh+2sh+2 (lưu ý rằng h<1h < 1).

Bây giờ chúng ta hãy lấy psps các số hạng liên tiếp b1,b2,…,bpsb_1, b_2, \dots, b_{ps} của một số cấp số cộng có hiệu α\alpha (tức là bi+1=bi+αb_{i+1} = b_i + \alpha). Chúng ta hãy sắp xếp chúng dưới dạng một cái bàn; nó thể hiện sự tiến triển của dạng (3). Vì số dòng là pp, nên số các số hạng của cấp số nhân b1,b2,…,bpsb_1, b_2, \dots, b_{ps} đang được xem xét, các phần phân số của chúng nằm trong khoảng ll, được chứa giữa số p(sh−2)p (sh-2) và p(sh+2)p (sh+2).

Cuối cùng, đặt nn là một số tự nhiên tùy ý lớn hơn rpsrps. Chia nn cho psps với phần dư, ta được n=lps+qn = lps + q, trong đó l⩾rl \geqslant r, 0⩽q<ps0 \leqslant q < ps. Do đó, từ số α+β,2α+β,…,nα+β\alpha + \beta, 2\alpha + \beta, \dots, n\alpha + \beta chúng ta có thể lấy ll lần psps số hạng liên tiếp của cấp số cộng với hiệu là α\alpha,