2022 Pierwszy termin

Zadanie 1

Rozwiąż równanie rekurencyjne:

\( a_0 = 1 \)

\( a_n = \frac{1}{6}(n+1)(n+2) - \frac{1}{3} \sum_{\substack{0 \leq i,j < n,\\1 \leq i+j \leq n}} a_i a_j a_{n-i-j} \)

Wskazówka wakacyjna

Policz kilka pierwszych wartości tej sumy.

Rozwiązanie

Po policzeniu kilku pierwszych wartości tej sumy, stawiamy tezę, że wartość tej sumy dla każdego \(n\) wynosi jeden. Dowodzimy tę tezę indukcją.

Zakładamy, że dla każdego \(n, a_n = 1\) (indukcja zupełna). Baza jest oczywista.

Musimy pokazać, że \(a_{n+1} = \frac{1}{6}(n+2)(n+3) - \frac{1}{3} \sum_{\substack{0 \leq i,j < n+1,\\1 \leq i+j \leq n+1}} a_i a_j a_{n+1-i-j}=1\). Zauważmy, że największy indeks ciągu \(a_n\), jaki pojawia się w tej sumie to \(n\). Z założenia każdy element tej sumy wynosi jeden, a więc jej wartość to liczba jej elementów. Policzymy tę liczbę analizując ile jest elementów dla \(i=0,1,...,n\). Innymi słowy, liczymy ile par \(i, j\) spełnia warunek pod sumą.

\(i=0\). Wtedy \(j\) przebiega \(n\) elementowy zakres \(1,...,n\).

\(i>0\). Wtedy \(j\) przebiega \(n+1-i+1\) elementowy zakres \(0,1,...,n-i+1\).

Wartość sumy w \(a_{n+1}\) to suma liczb elementów wszystkich zakresów: \(n+\frac{n+1+2}{2}n=\frac{n^2+5n}{2}\) (Dla \(i>0\) sumujemy ciąg arytmetyczny o wzorze \(n+2-i\)).

Wykonajmy teraz rachunki: \(a_{n+1}=\frac{1}{6}(n^2+5n+6) - \frac{1}{3}(\frac{n^2+5n}{2})=\frac{n^2+5n+6}{6}-\frac{n^2+5n}{6}=1\)


Zadanie 2

Podział liczby nazywamy binarnym, jeśli wszystkie jego składniki są potęgami dwójki, na przykład liczba 5 ma 4 podziały binarne: \(1+1+1+1+1\), \(1+1+1+2\), \(1+2+2\), \(1+4\).

Udowodnij, że dokładnie połowa spośród podziałów binarnych \(n \geq 2\) ma parzystą liczbę składników.

Rozwiązanie (link)


Zadanie 3

Udowodnij, że funkcja \(f: \mathbb{N}_{+} \rightarrow \mathbb{N}_{+}\) określona wzorem \(f(n) = n \cdot \phi(n)\) (gdzie \(\phi(n)\) to funkcja Eulera) jest różnowartościowa.

Wskazówka wakacyjna

Funkcja \(f\) jest multiplikatywna.

Rozwiązanie (link)


Zadanie 4

Pomalowanie krawędzi sześcianu na czerwono kosztuje \(1\) zł, a na zielono \(2\) zł. Pomalowanie ściany na czerwono kosztuje \(3\) zł, a na zielono \(5\) zł. Na ile istotnie różnych sposóbów można pomalować wszystkie ściany i krawędzie sześcianu tak, żeby łączny koszt wyniósł dokładnie \(50\) zł? (Dwa sposoby pomalowania utożsamiamy, jeśli jeden przechodzi na drugi przy pewnym obrocie sześcianu w \( \mathbb{R}^3 \)).