M1699. Неравенство

Задача из журнала «Квант» (1999 год, 5 выпуск)

Условие

Докажите, что при любом натуральном $n$ справедливо неравенство $$\left \{ \sqrt{1} \right \} + \left \{ \sqrt{2} \right \} +\dots+ \left \{ \sqrt{n} \right \} \leqslant \frac{n^2-1}{2}$$
(Здесь $\left \{ k \right \}$ — дробная часть числа $k$.)

Решение

При $n = 1$ неравенство обращается в равенство $0 = 0$. При $n > 1$ докажем, что сумма дробных частей на каждом промежутке между двумя последовательными квадратами удовлетворяет неравенству $$\sum_{k=m^2}^{m^2+2m} \left \{ \sqrt{k} \right \} \leqslant \frac{2m+1}{2}.\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(1)$$

Нетрудно проверить (например, с помощью очевидного неравенства $\displaystyle \sqrt{m^2+x} \leqslant m + \frac{x}{2m}$), что
$$\sqrt{m^2+a} + \sqrt{m^2 + m -a} \leqslant 2m+1$$
при $0 \leqslant a \leqslant m$.

Следовательно, $$\left \{ \sqrt{m^2+a} \right \} + \left \{ \sqrt{m^2 + 2m -a} \right \} \leqslant 1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(2)$$

Просуммировав эти неравенства при $a =0,1,\dots,m-1$ и неравенство $\displaystyle \left \{ m^2+m \right \} \leqslant \frac{1}{2}$ (получаемое деление на $2$ обеих частей $(2)$ при $a = m$), приходим к неравенству $(1)$. Суммируя неравенство $(1)$ по всем $m$ от $1$ до $n-1$, получаем $$\sum_{k=1}^{n^2-1} \left \{ \sqrt{k} \right \} \leqslant \frac{n^2-1}{2}.$$

Остается заметить, что $\left \{ \sqrt{n^2} \right \} = 0.$

А. Храбров

М1768. Аэробус

Задача из журнала «Квант» (2001 год, 5 выпуск)

Условие

а) Расположите первые 100 натуральных чисел в таком порядке, чтобы для любых нескольких (но не всех) из этих чисел сумма номеров занятых ими мест не равнялась сумме самих этих чисел.

б*) При посадке в аэробус пассажиры сели куда попало. В итоге все места оказались заняты, а для любого множества, в котором не более 100 пассажиров, среднее арифметическое номеров занятых ими мест не менее чем на 1 отличается от среднего арифметического номеров мест, указанных в билетах. Каково наименьшее возможное число мест в таком аэробусе?

Решение

а) Укажем два способа: 100, 1, 2, \ldots, 97, 98, 99 и 2, 3,4, \ldots, 99, 100, 1. Каждый из них дает требуемое расположение чисел, в чем легко непосредственно убедиться.

б) Ответ: 301 место.
Каждый пассажир включен в один из циклов вида P_{1}, P_{2}, \ldots , P_{m}, где P_{1}, P_{2}, \ldots , P_{m} – некоторые пассажиры, причем P_{i}-й пассажир (i =  1, 2, \ldots , m - 1) имеет билет на место, которое занимает P_{i+1}-й пассажир, а P_{m}-й пассажир – на место, которое занимает P_{1}-й пассажир. Если в таком цикле 100 пассажиров или менее, то все они могли составить одну рассматриваемую группу, для которой среднее арифметическое номеров занимаемых ими мест равно среднему арифметическому номеров мест, указанных в их билетах, что противоречит условию. Поэтому m \geq 101 + r \geq 202. Значит, если число циклов не меньше 3, то в аэробусе размещаются 303 или более пассажиров. Заметим далее, что если P_{k}, P_{k+1}, \ldots , P_{k+r} – цепочка пассажиров, последовательно включенных в некоторый цикл, причем номера билетов P_{k}-го и P_{k+r}-го отличаются на 1, то r \geq 101. Рассматривая цепочку P_{k+r}, P_{k+r+1} , \ldots , P_{m}, P_{1}, \ldots , P_{k}, получим неравенство m - (k + r) + k \geq 101. Следовательно, m \geq 101 + r \geq 202 , и поэтому число мест в аэробусе может быть меньшим, чем 303, только если выполняется одно из следующих условий:

  1. Все пассажиры включены в один цикл;
  2. Число циклов равно 2, причем любые два билета на соседние (по номерам) места принадлежат пассажирам из разных циклов.

Пусть выполнено первое условие. Рассмотрим пассажиров A_{n}, A_{n+1} и A_{n+2} с билетами на n-е, (n + 1)-е и (n + 2)-е места соответственно. Между A_{n}-м и A_{n+1}-м пассажирами в кратчайшей из цепочек, их соединяющих, имеется не менее 100 пассажиров, между A_{n+1}-м и A_{n+2}-м также не менее 100 пассажиров, а между A_{n+2}-м и A_{n}-м либо нет ни одного пассажира, либо имеется не менее 100. Значит, если общее число мест меньше 303, то либо A_{n} сидит на (n + 2)-м месте, либо A_{n+2} сидит на n-м месте. Ввиду произвольности номера n имеем (с точностью до направления) цикл A_{1} A_{3} A_{5} \ldots A_{N}A_{2}A_{4} \ldots A_{N'}, где N и N' – наибольший нечетный и наибольший четный номера соответственно, а A_{i}–пассажир, занимающий i-е место, i = 1, 2, \ldots, max ( N, N').Пассажиры, сидящие на местах N, 2, 4, \ldots , 198, имеют билеты на места 2, 4, 6,  \ldots , 200, а разность соответствующих средних равна (N - 200) : 100. Так как эта разность больше 1, получаем N \geq 301. Нетрудно убедиться, что цикл  A_{1}A_{3}A_{5} \ldots A_{301}A_{2}A_{4} \ldots A_{300} удовлетворяет условиям задачи. Пусть теперь выполнено второе условие, т.е. имеются два цикла, каждый из которых включает всех пассажиров с билетами на места одной четности. Если в каком-нибудь из этих циклов пассажир A_{n} сидит не на (n + 2)-м месте, а A_{n+2}– не на n-м месте, то в цикле не менее 202 пассажиров, а в аэробусе – не менее 403 мест. В противном же случае имеем (с точностью до направления) цикл A_{1}A_{3}A_{5} \ldots A_{N} , где пассажиры с билетами на места 1,3, 5, \ldots , 199 сидят на местах N, 1, 3, \ldots , 197; разность соответствующих средних арифметических  (N - 199) :100 больше 1, откуда N \geq 301.

С.Токарев

М1719. Последовательность

Задача из журнала «Квант» (2000 год, 1 выпуск)

Условие

Последовательность $a_{1}$, $a_{2}$, $a_{3}$, $\ldots$ задана своим первым членом $a_{1} = 1$ и рекуррентной формулой $\displaystyle a_{n+1} = a_{n} + \frac{1}{a_{n}}$, где $n = 1, 2, 3, \ldots$

  1. Докажите, что $a_{100} > 14$.
  2. Найдите $\lbrack a_{1000}\rbrack$, то есть укажите такое целое число $m$, для которого $m \leqslant a_{1000} < m + 1$.
  3. Докажите существование и найдите значение предела $\displaystyle\lim\limits_{n \to \infty} \frac{a_{n}}{\sqrt{n}}$.

Решение

  1. Возводим равенство $\displaystyle a_{n+1} = a_{n} + \frac{1}{a_{n}}$ в квадрат и «отбрасываем лишнее»: $$a_{n+1}^{2} = a_{n}^{2} + 2 + \frac{1}{a_{n}^{2}} > {a_{n}^{2}} + 2.$$ Вспомнив, что $a_{1}^{2} = 1$, получаем одно за другим неравенства $a_{2}^{2} > a_{1}^{2} + 2 = 3$, $a_{3}^{2} > a_{2}^{2} + 2 > 3 + 2 = 5$, и вообще (при $n > 1$), $$\begin{equation}\label{m1719_first} a_{n}^{2} > 2n — 1\end{equation}.$$ В частности, $a_{100}^{2} > 199 > 196 > 14^{2}$, что и требовалось.
  2. Ответ: $\lbrack a_{1000}\rbrack = 44$.

    При $n = 1000$ неравенство $\eqref{m1719_first}$ дает $a_{1000}^{2} > 1999 > 44^{2}$, так что $\lbrack a_{1000}\rbrack \geqslant 44$. Чтобы получить оценку сверху, введем величины $b_{n}$, такие что $a_{n}^{2} = 2n — 1 + b_{n}$. В силу неравенства $\eqref{m1719_first}$, имеем $b_{n} > 0$ при $n > 1$. Далее, запишем формулу $\displaystyle a_{n+1}^{2} = a_{n}^{2} + 2 + \frac{1}{a_{n}^{2}}$ в виде
    $$2n + 1 + b_{n+1} = 2n — 1 + b_{n} + 2 + \frac{1}{2n — 1 + b_{n}},$$
    откуда
    $$b_{n+1} = b_{n} + \frac{1}{2n — 1 + b_{n}} \leqslant b_{n} + \frac{1}{2n — 1}.$$

    По индукции из последнего неравенства следует, что
    $$b_{n+1} \leqslant b_{1} + \frac{1}{1} + \frac{1}{3} + \ldots + \frac{1}{2n — 3} + \frac{1}{2n — 1}. $$
    Поскольку $b_{1} = 0$, имеем, в частности,
    $$b_{1000} \leqslant 1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \ldots + \frac{1}{1995} + \frac{1}{1997}.$$
    Осталось оценить сумму, оказавшуюся в правой части последнего неравенства. Сгруппируем слагаемые:
    $$b_{1000} \leqslant 1 + \left(\frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \frac{1}{7}\right) + \left(\frac{1}{9} + \frac{1}{11} + \frac{1}{13} + \frac{1}{15} + \ldots + \frac{1}{25}\right) + \\ + \left(\frac{1}{27} + \frac{1}{29} + \frac{1}{31} + \frac{1}{33} + \ldots + \frac{1}{79}\right) + \left(\frac{1}{81} + \frac{1}{83} + \ldots + \frac{1}{241}\right) + \\ + \left(\frac{1}{243} + \frac{1}{245} + \ldots + \frac{1}{727}\right) + \left(\frac{1}{729} + \frac{1}{731} + \ldots + \frac{1}{1997}\right).$$
    (Принцип очень простой: в первой скобке три слагаемых, наибольшее из которых равно $\displaystyle\frac{1}{3}$; во второй — девять, наибольшее из которых $\displaystyle\frac{1}{9}$; …; в пятой — $243$ слагаемых, наибольшее $\displaystyle\frac{1}{243}$; наконец, в шестой скобке наибольшее слагаемое равно $\displaystyle\frac{1}{729}$, а слагаемых всего лишь $635$.) Следовательно, $b_{1000} < 7$. Это позволяет утверждать, что $$a_{1000}^{2} < 2000 - 1 + 7 < 2025 = 45^2,$$ откуда $a_{1000} < 45$.

  3. Использованный при решении пункта б) прием позволяет доказать, что $\displaystyle\lim\limits_{n\to \infty}\frac{b_{n}}{n} = 0.$ Поскольку $a_{n} = \sqrt{2n — 1 + b_{n}}$, получаем ответ:
    $$\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n}}{\sqrt{n}} = \sqrt{2}.$$

А. Спивак

Суммируемостью рядов Фурье методом Фейера

Ядро Фейера

Зададим непрерывную и $2\pi$-периодическую функцию $f(x)$. Рассмотрим последовательность $S_n(x)$ частичных сумм ряда Фурье функции $f(x)$, где $$S_n(x) = \dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi f(x + t) \cdot D_n(t)dt,(1)$$ а $D_n(t)$ — ядро Дирихле: $$D_n(t) = \dfrac{1}{2} + \cos t + \ldots + \cos nt = \dfrac{\sin(n + \frac{1}{2})t}{2 \cdot \sin \frac{t}{2}}.(2)$$ Определим суммы Фейера как средние арифметические сумм $S_0(x), S_1(x),\ldots, S_n(x)$: $$\sigma_n(x) = \dfrac{S_0(x) + \ldots + S_n(x)}{n+1}.(3)$$

Подставляя в данную формулу выражение для частичной суммы ряда Фурье через ядро Дирихле, получаем, что $$\sigma_n(x) = \dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi f(x + t) \dfrac{D_0(t) + \ldots + D_n(t)}{n + 1} dt.$$ Обозначим $$F_n(t) = \dfrac{D_0(t) + \ldots + D_n(t)}{n + 1},(4)$$ тогда $$\sigma_n(x) = \dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi f(x + t) F_n(t) dt.(5)$$

Функцию $F_n(t)$ назовём ядром Фейера. Приведём следующие свойства ядра Фейера:

  1. $F_n(t)$ — четная, $2\pi$-периодическая и непрерывная функция;
  2. $\dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi F_n(t)dt = 1$;
  3. $F_n(t) \ge 0$;
  4. $\lim \limits_{n\to\infty} \max \limits_{\delta \le t \le \pi} F_n(t) = 0$ при любом $\delta \in (0, \pi)$.
  5. Доказательство

    Свойства 1) и 2) сразу следуют из формулы (4) и соответствующих свойств ядер Дирихле.

    Докажем свойство 3). Подставляя в формулу (4) для ядра Фейера выражение (2) для ядер Дирихле, получаем $$(n + 1) \cdot F_n(t) = D_0(t) + \ldots + D_n(t) = \sum_{k=0}^{n}\dfrac{\sin(k + \frac{1}{2})x}{2\sin \frac{x}{2}} =$$ $$=\dfrac{1}{4\sin^2 \frac{x}{2}}\sum_{k=0}^{n}2 \cdot \sin \frac{x}{2} \cdot \sin(k + \frac{1}{2})x = \dfrac{1 — \cos(n + 1)x}{4\sin^2 \frac{x}{2}} \ge 0. (6)$$

    Докажем свойство 4). Из равенства (6) следует, что $\sup \limits_{x \in [\delta, \pi]} F_n(x) \le \dfrac{2}{4\cdot \sin^2 \frac{\delta}{2}} \cdot \dfrac{1}{n + 1} \rightarrow 0$ при $n \rightarrow \infty$, $0 < \delta < \pi$.

    Теорема (Фейера).

    Последовательность $\{\sigma_n(x)\}$ сумм Фейера $2\pi$-периодической непрерывной функции $f(x)$ равномерно сходится к функции $f(x)$.

    Доказательство.

    Докажем равномерную непрерывность $f(x)$ на $\mathbb{R}$.

    Равномерная непрерывность $f(x)$ показать

    Используя свойства 2) и 3) ядра Фейера, оценим разность $\sigma(x) — f(x)$. Получаем, что $\sigma(x) — f(x) = \dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi (f(x + t) — f(x)) F_n(t)dt$, $$\left| \sigma(x) — f(x) \right| \le \dfrac{1}{\pi} \int \limits_{-\pi}^\pi \left| f(x + t) — f(x) \right| F_n(t)dt. (7)$$

    Зафиксируем $\varepsilon > 0$. Воспользуемся равномерной непрерывностью функции $f(x)$ на $\mathbb{R}$ и найдём $\delta > 0$ такое, что $\forall x \in \mathbb{R}$ и $\forall \left| t \right| < \delta$ выполнено равенство $\left| f(x + t) — f(x) \right| < \dfrac{\varepsilon}{2}$.

    Разобьём отрезок интегрирования $[-\pi, \pi]$ в формуле (7) на три отрезка: $[-\pi, -\delta], [-\delta, \delta]$ и $[\delta, \pi]$.

    Воспользовавшись свойствами 2) и 3) ядра Фейера, получаем, что $$\dfrac{1}{\pi} \int \limits^{\delta}_{-\delta} \left| f(x + t) — f(x) \right| F_n(t) dt \le \dfrac{1}{\pi} \int \limits^{\delta}_{-\delta} \dfrac{\varepsilon}{2} F_n(t) dt \le$$ $$\le \dfrac{\varepsilon}{2\pi} \int \limits^{\delta}_{-\delta} F_n(t)dt = \dfrac{\varepsilon}{2}. (8)$$

    Из непрерывности на $\mathbb{R}$ $2\pi$-периодичной функции $f(x)$ следует её ограниченность на $\mathbb{R}$. Пусть $\left| f(x) \right| < M$. Воспользуемся свойством 4) ядра Фейера и найдём такое $N$, что $\forall n > N$ выполнено неравенство $$\max \limits_{t \in [\delta, \pi]} F_n(t) < \frac{\varepsilon}{8M}.$$

    Тогда $\forall n > N$ справедливо неравенство $$\dfrac{1}{\pi} \int \limits^{\pi}_{\delta} \left| f(x + t) — f(x) \right| F_n(t)dt \le \dfrac{1}{\pi} \int \limits^{\pi}_{\delta} (\left| f(x + t) \right| + \left| f(x) \right|) F_n(t)dt \le$$ $$\le \dfrac{2M}{\pi} (\pi — \delta) \max \limits_{t \in [\delta, \pi]} F_n(t) < 2M \dfrac{\varepsilon}{8M} = \dfrac{\varepsilon}{4}. (9)$$

    Аналогично для всех $n > N$: $$\dfrac{1}{\pi} \int \limits^{-\delta}_{-\pi} \left| f(x + t) — f(x) \right| F_n(t)dt < \dfrac{\varepsilon}{4}. (10)$$

    Следовательно, для любого $x \in \mathbb{R}$ и для всех $n > N$ выполнено неравенство $\left| \sigma_n(x) — f(x) \right| < \varepsilon$ (из неравенств (7) — (10)), которое означает, что последовательность сумм Фейера $\sigma_n(x)$ равномерно сходится на $\mathbb{R}$ к функции $f(x)$.

    Пример показать

    Литература

    Суммируемость рядов Фурье методом Фейера

    Тест по теме «Суммируемость рядов Фурье методом Фейера».

Равномерная сходимость и дифференцируемость

Теорема

Пусть \left \{ f_{n} \right \} — последовательность непрерывно дифференцируемых на отрезке \left[a;b\right] функций. Предположим, что в некоторой точке x\in \left[a;b\right] числовая последовательность \left \{ f_{n}(x_{0}) \right \} сходится, а функциональная последовательность \left \{ f'_{n} \right \} равномерно сходится на \left[a;b\right]. Тогда исходная последовательность \left \{ f_{n} \right \} равномерно сходится на \left[a;b\right] к непрерывно дифференцируемой функции f, причем для любого x\in \left[a;b\right] справедливо равенство f'(x)=\lim_{n\rightarrow \infty }f'_{n}(x).

Доказательство

... показать

Теорема (о почленном дифференцировании ряда)

Пусть на отрезке \left[a;b\right] задана последовательность непрерывно дифференцируемых функций \left \{ u_{n} \right \}, такая, что ряд \sum_{n=1}^{\infty }u_{n}(x) сходится в некоторой точке x\in \left[a;b\right], а ряд из производных \sum_{n=1}^{\infty }u'_{n}(x) сходится равномерно на \left[a;b\right]. Тогда исходный ряд \sum_{n=1}^{\infty }u_{n}(x) равномерно сходится на всем отрезке \left[a;b\right], его сумма является непрерывно дифференцируемой функцией и справедливо равенство \left ( \sum_{n=1}^{\infty }u_{n}(x) \right )'=\sum_{n=1}^{\infty }u'_{n}(x)\; (x\in \left[a;b\right]).

Доказательство

... показать

Теорема

Пусть на отрезке \left[a;b\right] задана последовательность дифференцируемых функций \left \{ f_{n} \right \}, сходящаяся в некоторой точке x\in \left[a;b\right] и такова, что функциональная последовательность \left \{ f'_{n} \right \} сходится равномерно на \left[a;b\right]. Тогда последовательность \left \{ f_{n} \right \} равномерно сходится на всем отрезке \left[a;b\right] к некоторой функции f, причем эта функция f дифференцируема на \left[a;b\right] и справедливо равенство $$f'(x)=\lim_{n\rightarrow \infty }f’_{n}(x) \; \; \; \; \; (x\in \left[a;b\right])$$.

Доказательство

... показать

Тесты

Равномерная сходимость и дифференцируемость

Проверьте свои знания по теме «Равномерная сходимость и дифференцирование»