题目内容

【题目】如果既约分数满足:(、为正整数),则称为“牛分数”.现将所有的牛分数按递增顺序排成一个数列,称为“牛数列”.证明:对于牛数列中的任两个相邻项、,都满足.

【答案】见解析

【解析】

对任一正整数,将牛数列中分母不大于的子数列记为.

当时,数列显然满足条件.

对进行归纳.

据数列知,当时结论成立.

设结论对于成立,考虑数列.

注意到,而中的分数满足:分母,.

设、是中的一对相邻分数.

如果它们在中也相邻,则显然满足条件;

如果它们在中不相邻,即有中的分数插入它们之间(,),即(插入的分数中总有一个与或相邻,不妨设与相邻).

于是,. ①

所以,.

又易知,分数也介于与之间(这是由于,).

注意到,知与互质,即为既约分数.

若,由及,相乘得.

由,得.

又,且、在中相邻,则,且式①中等号成立.

故.

从而,,这与矛盾.

因此,.

若分数,则. ②

若、、是中的相邻项,那么,对于前一对分数而言有;

而对于后一对分数而言有.

因此,插入后的分数列符合条件.

又由式②知,式①等号成立.于是,以及.

由,得. ③

因此,.

又是中能够插入中的一对相邻分数、之间的唯一分数,即在由数列过渡到数列时,不论相邻分数间是否插入了新的分数,所得数列都满足条件.

因此,对于每个正整数,结论成立.特别是数列满足条件,故本题得证.

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