观察
- 先点 18 再点 12:得到 6。再用 6 和别的元素做减法,能得到哪些数?
- 多点几次“推一轮”。S 在 [−24,24] 中最后长成什么样?和蓝色刻度对一对。
- 有没有办法逼出 3?试试看,然后想一想为什么不行。
- 读数“最小的正元素”最后停在几?它和 12、18 是什么关系?
已知集合满足某种性质,问它必须含有哪些元素、必定具有什么别的性质——这是集合题里最常见的一类。做法总是两步:先按规则往外推,看清它被逼成什么样;再找一个规则改变不了的量(这里是“能被 6 整除”),说明推不出更多。
先猜后证
S 对减法封闭(a,b∈S⇒a−b∈S),并且 21∈S,35∈S。S 中一定含有的最小正整数是几?
先选定答案,才能看到结论。
✓ 猜对了!✗ 和你想的不一样——这正是值得停一下的地方。
35−21=14,21−14=7。所以 7∈S——这就是辗转相除。另一方面,S={7k∣k∈Z} 本身就对减法封闭、含 21 和 35,所以比 7 小的正整数不一定在 S 里。答案是 gcd(21,35)=7。
自己推一遍:从 35 和 21 出发,几步能逼出 7?
为什么
对减法封闭、含 12 和 18 的集合
第 1 / 5 步 -
-
辗转相减
-
0 和负数
-
6 的所有倍数
-
推不出更多
另一种规则:一个元素生出下一个
规则也可以只作用在一个元素上:a∈S⇒1−a1∈S。从 2 出发,一直用下去会怎样?
点几次。链条什么时候回到起点?
三步一圈:a→1−a1→aa−1→a。所以只要 2∈S,S 就至少含 2,−1,21 三个元素。换一个起点、换一条规则 a↦1−a1+a,圈会有多长?
如果去掉一个条件
结论:S 中最小的正元素整除 S 的每个元素 ← 还成立吗?
对减法封闭时,推到最后,最小的正元素 6 整除一切:
只对加法封闭。从 12、18 出发,推几轮:
最小的正元素是 12,可 12 不整除 18。加法只能越加越大,造不出差,也就造不出 6。减法封闭之所以强,是因为它能“往下走”,把辗转相除做完。
练一练
整数集 S 对减法封闭,且 28∈S,42∈S。S 中一定含有的最小正整数是几?
提示 · 方法42−28=14,再看 14 能不能再变小。
提示 · 第一步28−14=14,14−14=0:辗转相除停在 14=gcd(28,42)。
完整解答14∈S;而 S=14Z 满足所有条件,所以更小的正整数不一定在 S 里。答案是 14。
实数集 A 满足:1∈/A,且 a∈A⇒1−a1∈A。已知 3∈A。A 中必有的三个元素之积是多少?
提示 · 第一步3↦−21↦32↦3,回到起点。
完整解答三个元素是 3,−21,32,积为 3×(−21)×32=−1。(一般地 a⋅1−a1⋅aa−1=−1。)
实数集 B 满足:1∈/B,且 a∈B⇒1−a1+a∈B。已知 2∈B。B 至少有几个元素?
提示 · 第一步2↦−13=−3↦4−2=−21。
完整解答−21↦3/21/2=31↦2/34/3=2。四个元素 2,−3,−21,31 互不相同,所以至少 4 个;B={2,−3,−21,31} 本身满足条件。答案是 4。
实数集 A 非空、有限,1∈/A,且 a∈A⇒1−a1∈A。若 ∣A∣≤10,∣A∣ 可能是哪些数?
提示 · 方向记 f(a)=1−a1。a、f(a)、f(f(a)) 会不会相等?
提示 · 方法f(f(f(a)))=a。再说明 a,f(a),f(f(a)) 两两不同,于是 A 被分成若干个“三元圈”——一个分划。
提示 · 第一步f(a)=a 化为 a2−a+1=0,无实根;f(f(a))=aa−1=a 也化为同一个方程。另外 0∈/A(否则 f(0)=1∈A)。所以每个圈恰有 3 个元素,不同的圈不相交。
完整解答∣A∣ 是 3 的倍数,所以只能是 3,6,9。三个值都能取到:2、3、4 生成的圈 {2,−1,21}、{3,−21,32}、{4,−31,43} 互不相交,取其中 1、2、3 个圈的并即可。答案是 3,6,9。