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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P2 · combinatorics

1991 USAMO 第 2 题

题面据 USAMO 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。

USAMO 1991 P2 combinatorics

For any nonempty set  S \,S\, of numbers, let  σ(S) \,\sigma(S)\, and  π(S) \,\pi(S)\, denote the sum and product, respectively, of the elements of  S \,S\,. Prove that

∑σ(S)π(S)=(n2+2n)−(1+12+13+⋯+1n)(n+1),\sum \frac{\sigma(S)}{\pi(S)} = (n^2 + 2n) - \left( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{n} \right) (n+1),

where "Σ\Sigma" denotes a sum involving all nonempty subsets SS of {1,2,3,…,n}\{1,2,3, \ldots,n\}.

对于任何非空数字集合  S \,S\,,设  σ(S) \,\sigma(S)\, 和  π(S) \,\pi(S)\, 分别表示  S \,S\, 元素的和与积。证明

∑σ(S)π(S)=(n2+2n)−(1+12+13+⋯+1n)(n+1),\sum \frac{\sigma(S)}{\pi(S)} = (n^2 + 2n) - \left( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots + \frac{1}{n} \right) (n+1),

其中“Σ\Sigma”表示涉及{1,2,3,…,n}\{1,2,3,\ldots,n\}的所有非空子集SS的总和。

提示 1

先决定对象是什么:集合、图、排列、颜色、路径,还是一次操作后的状态。

提示 2

找一个极端对象、双计数式、不变量,或把限制转成图上的局部条件。

提示 3

把局部限制累加成全局矛盾,或给出覆盖全部情形的构造。

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。1991 年 USAMO P2 可先归入组合: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?