[具体数学·bijective proof]例题:一个拆分恒等式的证明

开始之前,感恩敬爱的jk老师的伟大授课!!!!!!

本文工作:细化了一下ppt,做了部分补充解释。


bijective proof:翻译为一一映射法/双射证明。旨在当原问题难以求解时,构建一个和原问题存在一一映射关系的,且易于求解的类问题。通过求解类问题,则解得原问题,


·题目描述:

 ·证明方法:利用幂方分解的唯一性构造一一映射。


方法描述:

        奇数分解中,某些奇数是重复的,比如21=3+3+3+3+3+1+5 ,其中3重复了5次。那么我们要把这5个3转换成两个不同的数,以达到“两两不同的拆分”目的。

下面以这个分解为例子讲一下转换方法:

①我们用一对二元组来描述这“5个3”,该二元组定义为(重数k,奇数a)=(5,3)

②根据幂方分解原理:任意正整数可以分解为唯一的,不同项2的幂

即k=2^{a_{1}}+2^{a_{2}}+......+2^{a_{t}},其中 a_{1}<a_{2}<....<a_{t}

5=2^{0}+2^{2}=1+4  。   注意:这个分解是唯一的!!!这确保了我们的转换是一一映射的关系。

③由于上面的幂方分解每一个项都是唯一的,则他们与奇数a组合,可以得到各项不同的数

        a+a+a+...+a = 2*k=a*(2^{a_{1}}+2^{a_{2}}+...+2^{a_{t}})=a*2^{a_{1}}+a*2^{a_{2}}+...+a*2^{a_{t}}

比如 3+3+3+3+3 =3*5=1*3+4*3 = 3 + 12

则将这5个重复的3转换成了两个不重复的数 3和12

通过这个办法就能将有"有重复的奇数"转换成 唯一的 "无重复数字"


        这还没完

问题1:转换后的无重复数字,有没有可能与其他数字冲突,造成新的重复呢?

答案:不可能。

分析:造成重复有两种可能 ①与原序列中存在的数重复  ②与其他有重复奇数转换后的数冲突

        暂且命名重复的数为a,则a由转换得到,可以写成  a=2^{t}*(2k+1) ,其中2k+1代表分解出a的某个奇数

可能性①:当a为偶数, 由于原序列是奇数序列,所以不可能。

                 当a为奇数,则t只能为0(否则a就是偶数),那么 a就是该分解的奇数的本身。那么它自然不会与原序列中其他数重复了。

可能性②:与其他奇数转换后的数重复。这个问题等价于:a=2^{t}*(2k+1)可以由两个数分解得到。这个可能显然不成立。任意一个数分解成 奇数*2的幂 有且仅有一种分解方式!也就是说2k+1这个奇数是唯一的!

讨论结果: 该方法可以将有重复的奇数拆分 唯一转换成无重复的拆分


        这还没完

问题2:上面结果只说明了该方法存在 从“奇数拆分”到“两两不重复拆分”的单向映射,是否存在某个“两两不重复拆分”在“奇数拆分”中找不到原象?

答案:没有!

分析: 即证明:任意“两两不重复拆分”都可唯一映射回“奇数拆分”

目的:对于某个“两两不重复拆分“”中的某个偶数a,将其逆向转换成一些奇数的和,且这种转换是唯一的。(注意是逆向:沿原路径返回,这样才能证明是双射关系,不然是乱射)

①假设a是从“奇数拆分”转换得到,则a= 2^{t}*(2k+1)

②由于任意偶数的这种拆分是唯一的(数论里证明的),那么 2^t(重数)与 2k+1(原象中的这个奇数)都可唯一确定。

③将a写成奇数组合的形式: a= (2k+1) + (2k+1) +....+(2k+1)       总共有2^t个。

结论:证明了从“两两不重复拆分“沿原路径返回到"奇数拆分"的唯一映射关系。


综上:

        该方法构建了两种拆分集合之间的双射桥梁,证明了两种拆分是一一对应的。


下面是改动后的ppt。


结:上面的讨论在逻辑上可能存在瑕疵,勉强看着吧。后面想到漏洞再补。

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