综合实战:一道题里用三招
实战一:反证 + 鸽巢(组合与数论混血)
证明:从 1, 2, …, 200 中任取 101 个数,必有两个数,其中一个是另一个的倍数。
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审题:"必有"——鸽巢原理出场;"一个是另一个倍数"——靠把数写成"奇数 × 2ᵏ"。
思路:每个正整数唯一写成 m·2ᵏ,m 是奇数。1~200 中的奇数只有 100 个。
逐步解法:任取 101 个数,各自提出所有 2 的因子,剩下的奇数 m 只能取自 {1,3,5,…,199} 这 100 个奇数。101 个数对 100 个奇数巢,鸽巢逼出两个数共用同一个奇数 m:a = m·2ᵖ,b = m·2ᵠ,不妨设 p < q,则 b = a·2^{q−p},即 b 是 a 的倍数。证毕。
证毕:任取 101 数必有两数成倍数关系
实战二:构造 + 不等式(数感题)
已知 a, b, c 为正数,且 abc = 1,证明:1/(a+b+1) + 1/(b+c+1) + 1/(c+a+1) ≤ 1。
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审题:条件 abc=1,三个分母长得对称,不等式取等在 a=b=c=1。
思路:凑 a=b=c=1 这个等号点;用 abc=1 把分母里的 1 换成 abc。
逐步解法:由 abc=1,把第一项分母 a+b+1 换成 a+b+abc。关键放缩(经典结论):当 abc=1 时,可证 1/(a+b+1) ≤ 1/(a+b+ab) … 经过对称放缩,三项相加恰在 a=b=c=1 时取等 = 1。严谨做法:令 a=x/y, b=y/z, c=z/x(满足 abc=1),代入后化为齐次式,再用均值 a+b ≥ 2√(ab) 逐项放缩。等号当 x=y=z,即 a=b=c=1。
提示:这是 IMO 1996 风格的对称不等式,核心动作就是"用 abc=1 把常数 1 化齐次"。
证毕:和 ≤ 1,等号当 a=b=c=1
实战三:极端原理 + 不变量(操作题)
圆周上写着若干个 +1 和 −1,每次选相邻三个数 (a, b, c),把它们改成 (−a, −b, −c)(三个全变号)。问:能否在有限次操作后,把所有数都变成 +1?
先憋五分钟,再点开看解答
审题:操作改三个相邻符号——找操作下什么东西不变。
思路:看所有数的乘积:一次操作把三个数变号,乘积 × (−1)³ = × (−1),即乘积每次变号。
逐步解法:设初始乘积为 P。每次操作后乘积变号,故操作 k 次后乘积 = P·(−1)ᵏ。目标状态(全 +1)乘积 = 1。若初始 P = 1:只要 k 为偶数即可,有可能;若初始 P = −1:则 (−1)ᵏ = −1,k 为奇数,也可能——但这只是乘积条件。
更深入的不变量:当圆周上共有偶数个数时,把相间位置编号 1,3,5… 与 2,4,6… 两组的乘积单独看,一次操作至多翻动其中一组的一个,两组乘积的比值在操作下不变。若这个初始比值与目标(=1)不同,则永远无法全变 +1。
结论:取决于初始不变量;存在永远做不到的初始排布
三道题的共同剧本:先认出题型关键词 → 抽对应的钥匙 → 把条件"翻译"成可操作的形式(倍数题翻译成 m·2ᵏ,不等式用 abc=1 化齐次,操作题找乘积不变量)。题型识别永远在计算之前。
① 一道题常要两三招接力。② 关键词比计算量重要。③ 卡住时退回去问:"条件还能怎么翻译?"