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番外 · 闲灯 / Putnam 数学竞赛 / B3 · number-theory

2023 Putnam B3

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/2023.pdf。

Putnam 2023 B3 number-theory

A sequence y1,y2,…,yky_1,y_2,\dots,y_k of real numbers is called *zigzag* if k=1k=1, or if y2−y1,y3−y2,…,yk−yk−1y_2-y_1, y_3-y_2, \dots, y_k-y_{k-1} are nonzero and alternate in sign. Let X1,X2,…,XnX_1,X_2,\dots,X_n be chosen independently from the uniform distribution on [0,1][0,1]. Let a(X1,X2,…,Xn)a(X_1,X_2,\dots,X_n) be the largest value of kk for which there exists an increasing sequence of integers i1,i2,…,iki_1,i_2,\dots,i_k such that Xi1,Xi2,…,XikX_{i_1},X_{i_2},\dots,X_{i_k} is zigzag. Find the expected value of a(X1,X2,…,Xn)a(X_1,X_2,\dots,X_n) for n≥2n \geq 2.

如果 k=1k=1,或者 y2−y1、y3−y2、…、yk−yk−1y_2-y_1、y_3-y_2、\dots、y_k-y_{k-1} 非零且符号交替,则实数序列 y1,y2,…,yky_1,y_2,\dots,y_k 称为 *zigzag*。让 X1,X2,…,XnX_1,X_2,\dots,X_n 独立于 [0,1][0,1] 上的均匀分布进行选择。设 a(X1,X2,…,Xn)a(X_1,X_2,\dots,X_n) 为 kk 的最大值,其中存在递增的整数序列 i1,i2,…,iki_1,i_2,\dots,i_k,使得 Xi1,Xi2,…,XikX_{i_1},X_{i_2},\dots,X_{i_k} 呈锯齿形。求 n≥2n \geq 2 的 a(X1,X2,…,Xn)a(X_1,X_2,\dots,X_n) 的期望值。

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。2023 年 Putnam B3 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?