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番外 · 题谱 · 2024 · P10

2024 Putnam B4

数论 · P3/P6 · 压轴题

题面据 Putnam 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。 PDF:https://kskedlaya.org/putnam-archive/2024.pdf。

Putnam 2024 B4 number-theory

Let nn be a positive integer. Set an,0=1a_{n,0} = 1. For k0k \geq 0, choose an integer mn,km_{n,k} uniformly at random from the set {1,,n}\{1,\dots,n\}, and let

$$

a_{n,k+1} = \begin{cases} a_{n,k} + 1, & \mbox{if mn,k>an,k;m_{n,k} > a_{n,k};} \\

a_{n,k}, & \mbox{if mn,k=an,km_{n,k} = a_{n,k};} \\

a_{n,k}-1, & \mbox{if mn,k<an,km_{n,k} < a_{n,k}.}

\end{cases}

$$

Let E(n)E(n) be the expected value of an,na_{n,n}. Determine limnE(n)/n\lim_{n\to \infty} E(n)/n.

nn 为正整数。设置 an,0=1a_{n,0} = 1。对于 k0k \geq 0,从集合 {1,,n}\{1,\dots,n\} 中均匀随机选择一个整数 mn,km_{n,k},并让

$$

a_{n,k+1} = \begin{cases} a_{n,k} + 1, & \mbox{if mn,k>an,k;m_{n,k} > a_{n,k};} \\

a_{n,k}, & \mbox{如果 mn,k=an,km_{n,k} = a_{n,k};} \\

a_{n,k}-1, & \mbox{如果 mn,k<an,km_{n,k} < a_{n,k}.}

\结束{案例}

$$

E(n)E(n)an,na_{n,n} 的期望值。确定 limnE(n)/n\lim_{n\to \infty} E(n)/n

提示 1

先看同余、整除、最大公因数和 p 进赋值。

提示 2

把整数条件转成同余方程、指数比较或下降过程。

提示 3

若要存在性,用构造;若要唯一性,用最小反例、无限下降或模限制。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2024 年 Putnam B4 可先归入数论:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?