每日一题[328]世界末日

$g(n)$表示$n$的最大奇因数,如$g(9)=9$,$g(10)=5$.那么$g(1)+g(2)+g(3)+\cdots+g(2^{2015}-1)=$_____.


cover 正确答案是$\dfrac {1}{4^{2015}-1}$.

 根据$g(n)$的定义有\[g(n)=\begin{cases} n,&n为奇数,\\g\left(\dfrac {n}{2}\right ),&n为偶数.\\\end{cases} \] 记$S_n=g(1)+g(2)+g(3)+\cdots+g(2^n-1)$,则\[\begin{split} S_n&=\left[g(1)+g(3)+\cdots+g(2^n-1)\right ]+\left[g(2)+g(4)+\cdots+g(2^{n}-2)\right ]\\&=\left[1+3+\cdots+(2^n-1)\right ]+\left[g(1)+g(2)+\cdots+g(2^{n-1}-1)\right ]\\&=4^{n-1}+S_{n-1}.\end{split} \]由累加法知\[\begin{split} S_{2015}&=4^{2014}+4^{2013}+\cdots+4^1+1\\&=\dfrac 13\left(4^{2015}-1\right ).\end{split} \]本题很难直接找到$g(n)$的表达式,但从$g(n)$满足的递推关系入手就容易很多,因为$g(n)$具有很好的递归结构.


递归是解决数列问题的一个常见思路,其中有递归结构的一个著名的问题是汉诺塔问题,这个问题是这样的:在世界中心贝拿勒斯(在印度北部)的圣庙里,一块黄铜板上插着三根宝石针.印度教的主神梵天在创造世界的时候,在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片,这就是所谓的汉诺塔.不论白天黑夜,总有一个僧侣在按照下面的法则移动这些金片:一次只移动一片,不管在哪根针上,小片必须在大片上面.僧侣们预言,当所有的金片都从梵天穿好的那根针上移到另外一根针上时,世界就将在一声霹雳中消灭,而梵塔、庙宇和众生也都将同归于尽. 假设每秒钟可以移动一个金片,那么预言中的世界末日何时到来呢? 假设金片数量为$n$时,把一根针上的金片移动到另外一根针上需要$a_n$秒,则$a_n$就满足递推关系$$a_{n}=2a_{n-1}+1,n\geqslant 2$$从而可以由不动点法求得数列$\{a_n\}$的通项公式为$$a_n=2^n-1,$$所以$$a_{64}=18446744073709551615$$秒,折成年约为$5845.54$亿年.

 汉诺塔问题参考百度百科.


最后给出一道练习:

数列$\left \{2^n-1 \right \} $的前$n$项$1,3,7,\cdots,2^n-1$组成集合$A_n= \{1,3,7,\cdots,2^n-1 \}(n \in {\mathcal N^*})$,从集合$A_n$中任取$k$($k=1,2, \cdots ,n$)个数,其所有可能的$k$个数的乘积的和为$T_k$(若只取一个数,规定乘积为此数本身),记$S_n=T_1+T_2+\cdots+T_n$.例如当$n=1$时,$A_1=\{1\}$,$T_1=1$,$S_1=1$;当$n=2$时,$A_2=\{1,3\}$,$T_1=1+3$,$ T_2=1 \times 3$,$S_2=1+3+1 \times 3=7$.则$S_n=$_______.

答案 $2^{\frac{n(n+1)}{2}}-1$.

提示 可以得到$S_n$满足的递推关系$$S_n=S_{n-1}+(2^n-1)+(2^n-1)\cdot S_{n-1},n\geqslant 2$$从而得到$$\dfrac {S_n+1}{S_{n-1}+1}=2^n,$$由累乘法即可得到$S_n$的表达式.

 练习题另外一种解法见每日一题[308] 山重水复疑无路,似曾相识燕归来.递归结构的另外一个著名的例子是卡特兰数

此条目发表在每日一题分类目录,贴了标签。将固定链接加入收藏夹。

发表回复