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小高斯与老师的故事

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1楼2012-07-26 02:28回复
    据说高斯上小学的时间,老师一次上课为了偷懒,对同学们说:“谁能告诉我1*2*3*……*5000一共有多少个尾数0,谁答对了就可以出去玩”。年轻的小高斯马上举起手说:“老师,我知道了!”老师不相信,于是问他,高斯自豪的说:“1249个!”,老师大惊失色,拿出准备好的答案查看发现果然是1249个,他震惊的问小高斯:“我算了一晚上的题目,你怎么一下子就做出来了?”高斯说:“5000个数一共有含有1249个因子5,而因子2的个数肯定多于5的,2*5=10”老师恍然大悟,觉得小高斯是个可造之材,好好的干了他一番。

    


    3楼2012-07-26 02:29
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      据说高斯上小学的时候,老师一次上课为了偷懒,对同学们说:”谁能告诉我1+1/2+1/3+...+1/100000化成最简分数分母末尾有多少个零我就让你们出去玩。“之后老师拿了本书正坐下准备看,年轻的小高斯马上举起手说:“老师,我知道了!”老师不相信,于是问他。高斯很自豪的说:“七个!”老师大惊失色,拿出准备好的答案查看发现果然是七个,他震惊的问小高斯:“我算了一晚上的题目,你怎么一下子就做出来了?”高斯说:“五的七次方不是78125么,而五的八次方就超过十万了啊!”老师恍然大悟,觉得小高斯是个可造之材,好好的干了他一番。

      


      4楼2012-07-26 02:32
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        漏了2*5^p,3*5^p,4*5^p,5*5^p形式


        7楼2012-07-26 06:20
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          b/11 + b/12 + b/13 + b/14 含有至少3个因子5(一个来自于b,至少两个来自于引理);
          b/16 + b/17 + b/18 + b/19 含有至少3个因子5(一个来自于b,至少两个来自于引理)。
          刚才已经知道 a + a/2 + a/3 + a/4 含有2个因子5,所以,Ln中到a/4为止的这些项,它们的和至少含有2个因子5。
          而:
          b/21 只含一个因子5;
          b/21 + b/22 只含一个因子5;
          b/21 + b/22 + b/23 只含一个因子5;
          所以,如果b/21 <= n < b/24,即4.2*5^p <= n < 4.8*5^p,则Ln只含一个因子5,Sn的分母含p-1个因子5。
          而因为b/21 + b/22 + b/23又含有两个因子5,所以当4*5^p <= n < 4.2*5^p,或者4.8*5^p <= n < 5*5^p时,Ln至少含有2个因子5,还需进一步研究Ln中会不会含有3个因子5。
          此时,需要研究Ln中只含2个因子5的那些项。同前,这些项将是c = 5b,c/2,c/3,c/4;c/6,c/7,c/8,c/9……一直到c/124。其中,落在尚未解决的关键区间的项有c/101,c/102,c/103,c/104和c/121,c/122,c/123,c/124。
          由引理,这些项每四个的和都将含有至少4个因子5。如果我们考察Ln中到a/4为止的项的和,我们会发现,它能被25整除而不能被125整除,而这个性质是由a + a/2 + a/3 + a/4 = 25a/12 = c/12决定的。
          考察关键区域:
          c/12 + c/101 = 113c/1212,除了c中含有的2个因子5之外,没有多余的因子5;
          c/12 + c/101 + c/102 = 2123c/20604,没有多余的因子5;
          c/12 + c/101 + c/102 + c/103 没有多余的因子5(暴力计算求得,下同);
          c/12 + c/101 + c/102 + c/103 + c/104 没有多余的因子5;
          c/12 + c/121 没有多余的因子5(想一想,我为什么不加 c/101,c/102,c/103,c/104 这四项了?);
          c/12 + c/121 + c/122 没有多余的因子5;
          c/12 + c/121 + c/122 + c/123 没有多余的因子5;
          c/12 + c/121 + c/122 + c/123 + c/124 没有多余的因子5。
          大功告成!当n落在未解决的区间(4*5^p <= n < 4.2*5^p,或者4.8*5^p <= n < 5*5^p)时,Ln只有两个因子5!因此Sn的分母含p-2个因子5。
          总结一下到目前为止的结论:
          1) 当5^p <= n < 4*5^p时,Sn的分母含p个因子5;
          2) 当4.2*5^p <= n < 4.8 * 5^p时,Sn的分母含p-1个因子5;
          3) 当4*5^p <= n < 4.2*5^p,或4.8*5^p <= n < 5*5^p时,Sn的分母含p-2个因子5。
          当然了,如果p-1或p-2小于0了,那就是Sn的分母不含因子5,而分子反倒会剩下因子5。
          万里长征还差最后一步:你怎么知道约分的时候不会唰唰唰地约掉分母中的因子2,以至于因子2比因子5还少了呢?虽然想一想觉得不太可能(本来因子2就比因子5多得多),但还是需要证明一下。好在Ln的各项中,永远有且仅有一项是奇数,这一项是Mn/2^q,n/2 < 2^q <= n。也就是说,约分过程根本就不可能约掉因子2。
          所以,上面结论中,Sn的分母含有的因子5的个数,就是Sn的分母末尾零的个数!
          


          11楼2012-07-26 12:09
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            Sn = 1/1 + 1/2 + ... + 1/n 的最简形式中分母末尾有几个零?
            第一个想法,Sn的分母大概应该是1到n所有整数的最小公倍数吧。它的末尾有几个零呢?
            一个十进制整数末尾零的个数,等于它含有的因子2的个数和因子5的个数的较小值。
            记1~n的最小公倍数为Mn,则它含有的因子2的个数,应该等于1~n中含因子2最多的那个(些)数所含因子2的个数。n=100000时,这个数是2^16 = 65536,它含有16个2。
            同理,Mn含有的因子5的个数,等于1~n中含因子5最多的那个(些)数所含因子5的个数。n=100000时,这个数是5^7=78125,它含有7个5。
            综上,M100000的末尾有7个0。
            (一般地,若5^p <= n < 5^(p+1),则Mn的末尾有p个零)
            如果只想到这里,问题只答对了一部分:Sn的各项通分后,分母确实是Mn,但不能保证加起来之后的分子不能再跟分母约分。比如当n=20时,通分后分母为Mn = 232792560(末尾有1个零),而通分后各项分子之和Sn = 837527025,可以跟分母约去一个15。约分后Sn = 55835135/15519504,分母上的0就不存在了。
            可见,必须考虑通分后的各项分子之和(以下简称分子,记作Ln)能否跟分母约分,尤其需要关注分子中是否含有因子5。
            不失一般性,我们研究5^p <= n < 5^p的情况。此时,Mn含有p个因子5,其结尾有p个零。
            “分子” Ln = Mn/1 + Mn/2 + ... + Mn/n
            容易发现,分子的各项中绝大多数都能被5整除,只有第5^p,2*5^p,3*5^p,4*5^p项(如果有的话)能够耗尽Mn中的因子5。
            记第5^p项为a,则第2*5^p,3*5^p,4*5^p项(如果有的话)则为a/2,a/3,a/4。
            如果5^p <= n < 2*5^p,则a/2,a/3,a/4都不存在,Ln中只有第5^p项(Mn/5^p,记作a)不能被5整除。因此Ln不能被5整除,约分约不掉Mn中的因子5,约分后的分母中仍含有p个因子5。
            如果2*5^p <= n < 3*5^p,则Ln中不能被5整除的项有a和a/2,它们的和 3a/2 仍然不能被5整除,故约分后的分母中仍含有p个因子5。
            如果3*5^p <= n < 4*5^p,则Ln中不能被5整除的项有a,a/2,a/3,它们的和 11a/6 仍然不能被5整除,故约分后的分母中仍含有p个因子5。
            如果4*5^p <= n < 5*5^p,情况就有了变化!!此时Ln中不能被5整除的项有a,a/2,a/3,a/4,但它们的和 25a/12 能够被5整除,并且这四项的和一下子含有了两个因子5!这时,就必须考察Ln中只含1个因子5的那些项。如果它们的和能被5整除而不能被25整除,Ln将也如此,结果将与Mn约掉1个因子5;如果它们的和甚至能被25整除,则Mn将被约掉至少2个因子5(是否能够约去更多,需要继续讨论)。
            Ln中只含1个因子5的项包括Mn/5^(p-1)以及它的倍数(但Mn/5^p的倍数,即上一段研究过的那些项,除外)。记Mn/5^(p-1) = b = 5a,则这些项就是b,b/2,b/3,b/4;b/6,b/7,b/8,b/9;b/11,b/12,b/13,b/14;b/16,b/17,b/18,b/19;b/21,b/22,b/23,b/24。由于我们只需考察4*5^p <= n < 5*5^p的情况,这时到b/19为止一定都存在在Ln中,b/21到b/24则不一定。
            首先来看一组引理:
            1/(5k+1) + 1/(5k+2) 的分母和分子不能被5整除;
            1/(5k+1) + 1/(5k+2) + 1/(5k+3) 的分母和分子不能被5整除;
            1/(5k+1) + 1/(5k+2) + 1/(5k+3) + 1/(5k+4) 的分母不能被5整除,但分子能被25整除。
            证明过程几乎就是暴力计算。
            上面考察过a,a/2,a/3,a/4,它们就是引理的一个例证。
            由引理,我们知道:
            b + b/2 + b/3 + b/4 含有至少3个因子5(一个来自于b,至少两个来自于引理);
            b/6 + b/7 + b/8 + b/9 含有至少3个因子5(一个来自于b,至少两个来自于引理);
            


            14楼2012-07-26 16:26
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              我觉得高斯已经被老师♂偷♂偷♂爆了好多次菊了,而且高斯总这样是因为他对于被老师爆♂菊这件事情很高兴,还有我♂偷偷♂收藏♂了这个帖子。


              15楼2012-07-30 17:59
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                大神,我要向你学的有太多了。带我走吧。擦擦擦擦♂♂♂♂


                16楼2012-07-30 18:00
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