简介

József Wildt International Mathematical Competition(约瑟夫·维尔德国际数学竞赛)是一个面向高中生的国际数学竞赛,以纪念匈牙利数学家约瑟夫·维尔德(József Wildt)。它通常在罗马尼亚特尔古穆列什举办,旨在鼓励学生对数学的兴趣并挑战他们的解决问题的能力。

各届问题及其解答

2019 年

W1. The Pell numbers $P_n$ satisfy $P_0=0$, $P_1=1$, and $P_n=2P_{n-1}+P_{n-2}$ for $n\ge2$. Find

提示

依次证明:
(1). $P_{n}P_{n+2}+\left(-1\right)^{n}=P_{n+1}^{2}$;
(2). $\arctan\frac{1}{P_{2n}}-\arctan\frac{1}{P_{2n+2}}=\arctan\frac{2}{P_{2n+1}}$;
(3). $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(\arctan\frac{1}{P_{2n}}+\arctan\frac{1}{P_{2n+2}}\right)\arctan\frac{2}{P_{2n+1}}=\arctan^{2}\frac{1}{2}$.

W2. If $0<a\le c\le b$ then:

提示

考虑

W3. Compute

提示

W4. If $x,y,z,t>1$ then:

提示

W5. Let $n\ge 1$. Find a set of distincts real numbers $(x_j)_{1\le j\le n}$ such that for any bijections $f:\{1,2,\cdots, n\}^2\to\{1,2,\cdots,n\}^2$ the matrix $\left(x_{f(i,j)}\right)_{1\le i,j\le n}$ is invertible.

W6. Compute

提示

W7. If

then find:

提示

分部积分得到:

代入,

所以

W8. Let $(a_n)_{n \geq 1}$ be a positive real sequence given by $a_n=\sum_{k=1}^n \frac{1}{k}$. Compute

where we denote by $[x]$ the integer part of $x$.

提示

由 Stirling 公式,

所以

又由于不等式

所以有自然的不等式 (下界有稍微的不严谨, 不过影响不大, 这里忽略)

所以所求极限化为

由于 $\ue^{-2H_{n}}=\ue^{-2(H_{n}-\ln n)-2\ln n}\to\ue^{-2\gamma}\cdot n^{-2}$,
所以

同理可证:

所以

W9. Let $\alpha>0$ be a real number. Compute the limit of the sequence $\left\{x_n\right\}_{n \geq 1}$ defined by

提示

用 Taylor 展开 $\sinh x=x+\frac{x^{3}}{6}+o\left(u^{3}\right)$, 结果为 $1/2$.

W10. If $\mathrm{si}(x)=-\int_x^{\infty}\left(\frac{\sin t}{t}\right) \ud t$, $x>0$, then:

提示

这本质上是一道交换积分次序问题, 注意到

所以等式的左边为

同理, 等式的右边为

W11. Let $\left(s_n\right)_{n \geq 1}$ be a sequence given by $s_n=-2 \sqrt{n}+\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}}$ with $\lim\limits_{n \to \infty} s_n=s=$ Ioachimescu constant and $\left(a_n\right)_{n \geq 1}$, $\left(b_n\right)_{n \geq 1}$ be a positive real sequences such that

Compute

提示

所以有

取对数, 做 Cesaro 平均的极限有

所以

由于 $\lim s_{n}=s$ 存在, 所以 $\lim\left(\ue^{s_{n}}-\ue^{s_{n+1}}\right)=0$, 有等价无穷小代换 $\ln\left(1+\ue^{s_{n}}-\ue^{s_{n+1}}\right)\sim\ue^{s_{n}}\left(1-\ue^{s_{n+1}-s_{n}}\right)$, 对后一项做幂级数展开可得:

因 $\ue^{s_{n}}\to\ue^{s}$, 所以原极限等于

W12. If $0<a<b$ then:

提示

根据定积分的几何意义, 比较两个曲边梯形的面积.

W13. Let $a, b$ and $c$ be complex numbers such that $abc=1$. Find the value of the cubic root of

提示

结果为 $(n+1)(n^2-n+1)$.

W14. If $a, b, c>0$, $a b+b c+c a=3$ then:

提示

先证明: $1\ge abc\eqqcolon x$, 再用一阶导数与 $\left(1+x^{2}\right)\arctan x$ 的单调性, 证明函数 $\frac{\arctan(1+x)}{\arctan x}$ 单调递减.

W15. It is possible to partition the set $\{100,101, \cdots, 1000\}$ into two subsets so that for any two distinct elements $x$ and $y$ belonging to the same subset $\sqrt[3]{x+y}$ is irrational?

提示

这是一道线性代数问题. 考虑集合中任意两数和为立方数的所有可能结果为 $216, 343, 512, 729, 1000, 1331$, 现在需要划分两个集合, 使得同一集合中的任两个数之和不能是立方数. 此问题可以转化为和为立方数的两个整数应位于不同的集合, 求出这两个和为立方数的所有可能整数, 比如 $801+530=1331=11^3$, 所以 $801$ 与 $530$ 不在同一个集合内.

要确定集合划分为两个子集的方式是否存在, 这等价于验证是否有三个数 $x,y,z\in\{100,101, \cdots, 1000\}$, 使得它们任何两个数之和同时为立方数. 因为如果 $x,y,z$ 中的任何两个数之和为立方数, 则它们两两不能在一个集合内.

求解方程 $x+y=729$, $y+z=1000$, $z+x=1331$, 得到 $x=530$, $y=199$, $z=801$, 这三个数两两不能同时位于一个集合内, 因此集合的二划分不存在.

W16. If $f:[a, b] \to (0, \infty)$. $0<a \le b$. $f$ derivable, $f’$ continuous, then:

提示

用凑微分法以及三角恒等式, 不等式等价于

然后用 Cauchy 中值定理证明

W17. Let $f_n=\left(1+\frac{1}{n}\right)^n\left((2 n-1)!!F_n\right)^{1 / n}$. Find $\lim\limits_{n \to \infty}\left(f_{n+1}-f_n\right)$, where $F_n$ denotes the $n$th Fibonacci number (given by $F_0=0$, $F_1=1$, and by $F_{n+1}=F_n+F_{n-1}$ for all $n \ge 1$).

提示

用幂级数展开, 给出每一个因子的较为精确的估计:

所以

代入原极限, 便可得

W18. Let $\left\{c_k\right\}_{k \ge 1}$ be a sequence with $0 \le c_k \le 1$, $c_1 \ne 0$, $\alpha>1$. Let $C_n=c_1+\cdots+c_n$. Prove

提示

当 $\left\{ C_{n}\right\} $ 收敛于某个常数 $C$, 使用常见的不等式 $\left(x^{\alpha}+y^{\alpha}\right)^{1/\alpha}<x+y$, $x^{\alpha}+y^{\alpha}<\left(x+y\right)^{\alpha}$.

取 $\epsilon=\frac{C}{2}$, $\exists N$, s.t. $\forall n>N$, $\left|C_{n}-C\right|<\epsilon$, 也即 $\frac{3C}{2}>C_{n}>\frac{C}{2}$. 再用夹逼原理:

若 $\left\{ C_{n}\right\} $ 发散于无穷大, 用 Stolz 公式

再用一次 Stolz 公式, 得到:

所以

原极限化为

W19. Let $\left\{F_n\right\}_{n \in \mathbb{Z}}$ and $\left\{L_n\right\}_{n \in \mathbb{Z}}$ denote the Fibonacci and Lucas numbers, respectively, given by

with $F_0=0$, $F_1=1$, $L_0=2$, and $L_1=1$. Prove that for integers $n \ge 1$ and $j \ge 0$

(i) $\sum\limits_{k=1}^n F_{k \pm j} L_{k \mp j}=F_{2 n+1}-1+\left\{\begin{array}{ll}0, & \text { if } n \text { is even } \\ (-1)^{ \pm j} F_{ \pm 2 j}, & \text { if } n \text { is odd }\end{array}\right.$.

(ii) $\sum\limits_{k=1}^n F_{k+j} F_{k-j} L_{k+j} L_{k-j}=\frac{F_{4 n+2}-1-n L_{4 j}}{5}$.

提示

设特征方程 $x^{2}=x+1$ 的两个解分别为 $x_{1},x_{2}$, 满足韦达定理: $x_{1}+x_{2}=1$, $x_{1}x_{2}=-1$. 则有常数 $f_{1},f_{2},l_{1},l_{2}$ 使得$F_{n}=f_{1}x_{1}^{n}+f_{2}x_{2}^{n}$, $L_{n}=l_{1}x_{1}^{n}+l_{2}x_{2}^{n}$, $f_{1}+f_{2}=0$, $l_{1}+l_{2}=2$. 并且容易解得 $l_{1}=l_{2}=1$. 所以

类似地, 有

然后用一点计算上的技巧计算 $\frac{f_{1}x_{1}^{2}}{1-x_{1}^{4}}=\frac{f_{2}x_{2}^{2}}{1-x_{2}^{4}}=-\frac{1}{5}$, $\frac{f_{1}^{2}x_{1}^{4}}{1-x_{1}^{4}}+\frac{f_{2}^{2}x_{2}^{4}}{1-x_{2}^{4}}=-\frac{1}{5}$, $f_{1}^{2}=f_{2}^{2}=\frac{1}{5}$, 其中 $f_{1}=-f_{2}=\frac{x_{1}}{x_{1}+2}$.

W20. i). Let $G$ be a $(4,4)$ unoriented graph, $2$-regulate, containing a cycle with the length $3$. Find the characteristic polynomial $P_G(\lambda)$, its spectrum $\mathrm{Spec}(G)$ and draw the graph $G$.

ii). Let $G^{\prime}$ be another $2$-regulate graph, having its characteristic polynomial $P_{G^{\prime}}(\lambda)=\lambda^4-4 \lambda^2+\alpha$, $\alpha \in R$. Find the spectrum $\mathrm{Spec}\left(G^{\prime}\right)$ and draw the graph $G^{\prime}$.

iii). Are the graphs $G$ and $G^{\prime}$ cospectral or isomorphic?

提示

$G$ 是一个有 4 个顶点 4 条边的无向图, 是 2 正则图 (即每个顶点的度均为 2), 图中有一个长度为 3 的圈. 则 G 的邻接矩阵为

特征多项式为 $P_G(\lambda)=\lambda^4-\lambda^3-3\lambda^2+\lambda+2$, 谱为 $\mathrm{Spec}(G)=\{1,2,-1,-1\}$.

对于 2 正则图 $G^{\prime}$, 其顶点的度数均为 2, 且为特征多项式的一个特征值, 所以 $P_{G^{\prime}}(2)=0$, 解得 $\alpha=0$. 对于顶点数为 4 的 2 正则图, 除了自环 $C_1$ 和三个顶点的圈 $C_3$ 构成的 $C_1\cup C_3$ 外, 只有顶点数为 4 的圈 $C_4$, 而只有 $C_4$ 的特征多项式为 $\lambda^4-4\lambda^2$.

同构的图有相同特征多项式.

W21. Let $f$ be a continuously differentiable function on $[0,1]$ and $m \in \mathbb{N}$. Let $A=f(1)$ and let $B=\int_0^1 x^{-\frac{1}{m}} f(x) \ud x$. Calculate

in terms of $A$ and $B$.

提示

设 $x_{k}=\frac{k^{m}}{n^{m}}$, $x_{k-1}=\frac{(k-1)^{m}}{n^{m}}$, 则

所以

这里的无穷小量在 $n\to\infty$ 时一致收敛于零. 所以所求极限为

其中 $\xi_{k}\in\left(\frac{k-1}{n},\frac{k}{n}\right)$.

W22.: Let $A$ and $B$ the series:

Study if $\frac{A}{B}$ is irrational number.

提示

$A=\frac89$, $B=\frac23$.

W23. If $b, c$ are the legs, and $a$ is the hypotenuse of a right triangle, prove that

提示

用三角函数 $b=a\sin\alpha$, $c=a\cos\alpha$, 然后令 $t=\sin\alpha+\cos\alpha\in(1,\sqrt{2}]$, 有 $\sin\alpha\cos\alpha=\frac{t^2-1}{2}$.

W24. If $a, b, c>0$, prove that

提示

不等式等价于

这可以由 $\frac{1}{a}+\frac{1}{b}\ge\frac{2}{a+b}$ 证明.

W25. Let $x_i, y_i, z_i, \omega_i \in \RR^{+}, i=1,2 \cdots n$, such that

Then

提示

用 Titu 引理, (Cauchy-Schwarz 不等式的特殊情况), 即 $\forall a_{i},b_{i}>0$, 恒有

由于 $\Gamma$ 函数是下凸的, 由 Jensen 不等式, 有 $\frac{\sum\Gamma(x_{i})}{n}\ge\Gamma\left(\frac{\sum x_{i}}{n}\right)=\Gamma(x)$. 结合 Titu 引理, 有

化简即得.

W26. Let $n \in \NN$, $n \geq 2$, $a_1, a_2, \cdots, a_n \in \RR$ and $a_n=\max \left\{sa_1, a_2, \cdots, a_n\right\}$
a). If $t_k$, $t_k^{\prime} \in \RR$, $k \in\{1,2, \cdots, n\}$, $t_k \le t_k^{\prime}$, for any $k \in\{1,2, \cdots, n-1\}$ and

prove that

b). If $b_k, c_k \in \RR_{+}^*, k \in\{1,2, \cdots, n\}, b_k \leq c_k$ for any $k \in\{1,2, \cdots, n-1\}$ and

prove that

提示

不等式等价于

W27. Find all continuous functions $f: \RR \rightarrow \RR$ such that

提示

$f(x)=-\sinh x$.

W28. In a room, we have 2019 aligned switches, connected to 2019 light bulbs, all initially switched on. Then, 2019 people enter the room one by one, performing the operation: The first, uses all the switches; the second, every second switch; the third, every third switch, and so on. How many lightbulbs remain switched on, after all the people entered?

提示

有 2019 个灯泡、2019 个开关排成一行。开始时所有灯泡都亮着(即开关处于“开”状态)。然后有 2019 个人依次进入,每个人都切换若干个开关:

  • 第 1 个人切换 所有 开关;
  • 第 2 个人切换每隔一个开关一次(编号为 2、4、6、…);
  • 第 3 个人切换每隔两个开关一次(编号为 3、6、9、…);
  • …第 $k$ 人切换所有编号是 $k$ 的倍数的开关;
  • 直到第 2019 个人完成操作。

问:最后有多少个灯泡仍然亮着?

灯泡 $n$ 被操作者切换的次数 $=n$ 的正约数个数 $d(n)$。

  • 若灯泡被切换的次数是偶数($n$不是平方数),则它最终仍是亮着。
  • 若被切换的次数是奇数($n$是平方数),则它最终是熄灭。

$亮着的灯泡数=2019−(小于等于 2019 的完全平方数个数)=2019-44=1975$.

W29. Prove that

提示

用分部积分

用幂级数展开

W30. a). Prove that

b). Calculate

提示

用交换求和次序,

所以

W31. Let $a, b \in \RR$, $a<b$ and the differentiable function $f:[a, b] \rightarrow \RR$, such that $f(a)=a$ and $f(b)=b$. Prove that

提示

用 Cauchy 不等式

W32. Let $u_k$, $v_k$, $a_k$ and $b_k$ be non-negative real sequences such as $u_k>a_k$ and $v_k>b_k$, where $k=1,2, \cdots, n$. If $0<m_1 \le u_k \le M_1$ and $0<m_2 \le v_k \le M_2$, then

where

提示

定理 (Pólya-Szegő 不等式): 设 $a=\left(a_{1},a_{2},\cdots,a_{n}\right)$, $b=\left(b_{1},b_{2},\cdots,b_{n}\right)$ 为两组正实数序列, 且 $0<m_{1}\le a_{k}\le M_{1}$, $0<m_{2}\le b_{k}\le M_{2}$. 则有

提示

证明: 设 $x_{k}=a_{k}/b_{k}$, 则有 $m\coloneqq\frac{m_{1}}{M_{2}}\le x_{k}\le\frac{M_{1}}{m_{2}}\eqqcolon M$. 因此

所以

也即

根据条件,

再由 Cauchy 不等式, 有

注: 这个不等式以阿采尔不等式 (AcZél’s inequality)1 为推论: 如果 $x_{1}^{2}-\sum_{i=2}^{n}x_{i}^{2}>0$, $y_{1}^{2}-\sum_{i=2}^{n}y_{i}^{2}>0$, 则

证明只需取 $u_{k}\equiv\sqrt{\frac{2}{n}}x_{1}$, $v_{k}=\sqrt{\frac{2}{n}}y_{1}$, $a_{k}=x_{k}$, $b_{k}=y_{k}$.

注: Pólya-Szegő 不等式是卡萨马塔不等式(Cassels’ inequality)的特殊情况: 设 $a=\left(a_{1},\cdots,a_{n}\right)$, $b=\left(b_{1},\cdots,b_{n}\right)$ 是实数序列, $w=\left(w_{1},\cdots,w_{n}\right)$ 是正权重序列. 若

则有

证明从 $\left(\frac{a_{k}}{b_{k}}-m\right)\left(\frac{a_{k}}{b_{k}}-M\right)\le0$ 得到 $w_{k}a_{k}^{2}+mMw_{k}b_{k}^{2}\le(M+m)w_{k}a_{k}b_{k}$, 所以

注: 卡萨马塔不等式(Cassels’ inequality)是康托洛维奇不等式(Kantorovich inequality)的推论: 若 $a_i>0$, $(i=1,2, \cdots, n)$ 且 $\sum_{i=1}^n a_i=1$,又 $0<\lambda_1 \le \lambda_2 \le \cdots \le \lambda_n$, 则

W33.2 Let $0<\frac{1}{q} \le \frac{1}{p}<1$, and

Let $u_k, v_k, a_k$ and $b_k$ be non-negative real sequences such as $u_k^p>a_k^p$ and $v_k^p>b_k^p$, where $k=1,2, \cdots, n$. If $0<m_1 \le u_k \le M_1$ and $0<m_2 \le v_k \le M_2$, then

where

W34. Let $a, b, c$ be positive real numbers and let $m, n$, ($m \ge n$) be positive integers. Prove that

提示

注意到

当且仅当 $a=b$ 时取等号. 所以

也即

等号当且仅当 $a=b=c$ 时取到.

W35. Calculate

提示

用 Stirling 公式与 Taylor 展开, 答案是 $\sqrt{2\pi\ue}$.

W36. For any $a, b, c>0$ and for any $n \in \NN^*$, prove the inequality

提示

不妨设 $a\ge b\ge c$, 则

W37. For real $a>1$ find

提示

取对数, 用 Stolz 公式, 答案是 $a-1$.

References

1. https://artofproblemsolving.com/wiki/index.php/Aczel%27s_Inequality
2. https://math.stackexchange.com/questions/5125766