如果存在 n 个整数 a1,a2,⋯,an,它们的和与乘积相等(n=1 时它们的和与积就是自身),即a1+a2+⋯+an=a1⋅a2⋯an,则称 n 具有性质 P.
(1)求证:所有正整数都具有性质 P;
(2)若存在 n 个整数 a1,a2,⋯,an,它们的和与乘积相等(n=1 时它们的和与积就是自身)且恰好等于 n,即a1+a2+⋯+an=a1⋅a2⋯an=n,则称 n 具有性质 Q,求所有具有性质 Q 的正整数构成的集合.
分析与解 (1)如果 n 具有性质 P,则 n+4 也具有性质 P,这是由于a1+a2+⋯+an+1+(−1)+1+(−1)=a1⋅a2⋯an⋅1⋅(−1)⋅1⋅(−1).而 n=1,2,3,4 都具有性质 P((1),(2,2),(1,2,3),(1,1,2,4)),于是所有正整数都具有性质 P.
(2)设 k∈N,则
情形一 n=4k+1 时,可以分成 2k 个 −1,2k 个 1,1 个 4k+1.
情形二 n=8k 时,可以分成 2k 个 −1,6k−2 个 1,1 个 2,1 个 4k.
情形三 n=8k+12 时,可以分成 2k+1 个 −1,6k+9 个 1,1 个 −2,1 个 4k+6.
情形四 n=4 时,|ai|∈{1,2,4},其中 i=1,2,3,4,且只有可能取 1 个 4 或 2 个 2,容易验证都不可行.
情形五 n=4k+2 时,由于a1⋅a2⋯an≡2(mod4),于是 a1,a2,⋯,an 为 1 个偶数和 4k+1 个奇数,它们的和为奇数,矛盾.
情形六 n=4k+3 时,a1,a2,⋯,an 为 4k+3 个奇数,设其中模 4 余 1 的有 m 个,模 4 余 3 的有 4k+3−m 个,因此a1+a2+⋯+an≡m−(4k+3−m)≡2m+1≡3(mod4),于是 m 为奇数,进而a1⋅a2⋯an≡1m⋅(−1)4k+3−m≡1(mod4),矛盾.
综上所述,所有具有性质 Q 的正整数构成的集合为{x∣x≡0,1,4,5(mod8),x≠4,x∈N∗}.
情形一 n=4k+1 时,可以分成 2k 个 −1,2k 个 1,1 个 4k+1.
情形二 n=8k 时,可以分成 2k 个 −1,6k−2 个 1,1 个 2,1 个 4k.
情形三 n=8k+12 时,可以分成 2k+1 个 −1,6k+9 个 1,1 个 −2,1 个 4k+6.
情形四 n=4 时,|ai|∈{1,2,4},其中 i=1,2,3,4,且只有可能取 1 个 4 或 2 个 2,容易验证都不可行.
情形五 n=4k+2 时,由于a1⋅a2⋯an≡2(mod4),于是 a1,a2,⋯,an 为 1 个偶数和 4k+1 个奇数,它们的和为奇数,矛盾.
情形六 n=4k+3 时,a1,a2,⋯,an 为 4k+3 个奇数,设其中模 4 余 1 的有 m 个,模 4 余 3 的有 4k+3−m 个,因此a1+a2+⋯+an≡m−(4k+3−m)≡2m+1≡3(mod4),于是 m 为奇数,进而a1⋅a2⋯an≡1m⋅(−1)4k+3−m≡1(mod4),矛盾.
综上所述,所有具有性质 Q 的正整数构成的集合为{x∣x≡0,1,4,5(mod8),x≠4,x∈N∗}.