简介

József Wildt International Mathematical Competition(约瑟夫·维尔德国际数学竞赛)是一个面向高中生的国际数学竞赛,以纪念匈牙利数学家约瑟夫·维尔德(József Wildt)。它通常在罗马尼亚特尔古穆列什举办,旨在鼓励学生对数学的兴趣并挑战他们的解决问题的能力。

各届问题及其解答

2019 年

W1. The Pell numbers $P_n$ satisfy $P_0=0$, $P_1=1$, and $P_n=2P_{n-1}+P_{n-2}$ for $n\ge2$. Find

提示

依次证明:
(1). $P_{n}P_{n+2}+\left(-1\right)^{n}=P_{n+1}^{2}$;
(2). $\arctan\frac{1}{P_{2n}}-\arctan\frac{1}{P_{2n+2}}=\arctan\frac{2}{P_{2n+1}}$;
(3). $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(\arctan\frac{1}{P_{2n}}+\arctan\frac{1}{P_{2n+2}}\right)\arctan\frac{2}{P_{2n+1}}=\arctan^{2}\frac{1}{2}$.

W2. If $0<a\le c\le b$ then:

提示

考虑

W3. Compute

提示

W4. If $x,y,z,t>1$ then:

提示

W5. Let $n\ge 1$. Find a set of distincts real numbers $(x_j)_{1\le j\le n}$ such that for any bijections $f:\{1,2,\cdots, n\}^2\to\{1,2,\cdots,n\}^2$ the matrix $\left(x_{f(i,j)}\right)_{1\le i,j\le n}$ is invertible.

W6. Compute

提示

W7. If

then find:

提示

分部积分得到:

代入,

所以

W8. Let $(a_n)_{n \geq 1}$ be a positive real sequence given by $a_n=\sum_{k=1}^n \frac{1}{k}$. Compute

where we denote by $[x]$ the integer part of $x$.

提示

由 Stirling 公式,

所以

又由于不等式

所以有自然的不等式 (下界有稍微的不严谨, 不过影响不大, 这里忽略)

所以所求极限化为

由于 $\ue^{-2H_{n}}=\ue^{-2(H_{n}-\ln n)-2\ln n}\to\ue^{-2\gamma}\cdot n^{-2}$,
所以

同理可证:

所以

W9. Let $\alpha>0$ be a real number. Compute the limit of the sequence $\left\{x_n\right\}_{n \geq 1}$ defined by

提示

用 Taylor 展开 $\sinh x=x+\frac{x^{3}}{6}+o\left(u^{3}\right)$, 结果为 $1/2$.

W10. If $\mathrm{si}(x)=-\int_x^{\infty}\left(\frac{\sin t}{t}\right) \ud t$, $x>0$, then:

提示

这本质上是一道交换积分次序问题, 注意到

所以等式的左边为

同理, 等式的右边为

W11. Let $\left(s_n\right)_{n \geq 1}$ be a sequence given by $s_n=-2 \sqrt{n}+\sum_{k=1}^n \frac{1}{\sqrt{k}}$ with $\lim\limits_{n \to \infty} s_n=s=$ Ioachimescu constant and $\left(a_n\right)_{n \geq 1}$, $\left(b_n\right)_{n \geq 1}$ be a positive real sequences such that

Compute

提示

所以有

取对数, 做 Cesaro 平均的极限有

所以

由于 $\lim s_{n}=s$ 存在, 所以 $\lim\left(\ue^{s_{n}}-\ue^{s_{n+1}}\right)=0$, 有等价无穷小代换 $\ln\left(1+\ue^{s_{n}}-\ue^{s_{n+1}}\right)\sim\ue^{s_{n}}\left(1-\ue^{s_{n+1}-s_{n}}\right)$, 对后一项做幂级数展开可得:

因 $\ue^{s_{n}}\to\ue^{s}$, 所以原极限等于

W12. If $0<a<b$ then:

提示

根据定积分的几何意义, 比较两个曲边梯形的面积.

W13. Let $a, b$ and $c$ be complex numbers such that $abc=1$. Find the value of the cubic root of

提示

结果为 $(n+1)(n^2-n+1)$.

W14. If $a, b, c>0$, $a b+b c+c a=3$ then:

提示

先证明: $1\ge abc\eqqcolon x$, 再用一阶导数与 $\left(1+x^{2}\right)\arctan x$ 的单调性, 证明函数 $\frac{\arctan(1+x)}{\arctan x}$ 单调递减.

W15. It is possible to partition the set $\{100,101, \cdots, 1000\}$ into two subsets so that for any two distinct elements $x$ and $y$ belonging to the same subset $\sqrt[3]{x+y}$ is irrational?

提示

这是一道线性代数问题. 考虑集合中任意两数和为立方数的所有可能结果为 $216, 343, 512, 729, 1000, 1331$, 现在需要划分两个集合, 使得同一集合中的任两个数之和不能是立方数. 此问题可以转化为和为立方数的两个整数应位于不同的集合, 求出这两个和为立方数的所有可能整数, 比如 $801+530=1331=11^3$, 所以 $801$ 与 $530$ 不在同一个集合内.

要确定集合划分为两个子集的方式是否存在, 这等价于验证是否有三个数 $x,y,z\in\{100,101, \cdots, 1000\}$, 使得它们任何两个数之和同时为立方数. 因为如果 $x,y,z$ 中的任何两个数之和为立方数, 则它们两两不能在一个集合内.

求解方程 $x+y=729$, $y+z=1000$, $z+x=1331$, 得到 $x=530$, $y=199$, $z=801$, 这三个数两两不能同时位于一个集合内, 因此集合的二划分不存在.

W16. If $f:[a, b] \to (0, \infty)$. $0<a \le b$. $f$ derivable, $f’$ continuous, then:

提示

用凑微分法以及三角恒等式, 不等式等价于

然后用 Cauchy 中值定理证明

W17. Let $f_n=\left(1+\frac{1}{n}\right)^n\left((2 n-1)!!F_n\right)^{1 / n}$. Find $\lim\limits_{n \to \infty}\left(f_{n+1}-f_n\right)$, where $F_n$ denotes the $n$th Fibonacci number (given by $F_0=0$, $F_1=1$, and by $F_{n+1}=F_n+F_{n-1}$ for all $n \ge 1$).

提示

用幂级数展开, 给出每一个因子的较为精确的估计:

所以

代入原极限, 便可得

W18. Let $\left\{c_k\right\}_{k \ge 1}$ be a sequence with $0 \le c_k \le 1$, $c_1 \ne 0$, $\alpha>1$. Let $C_n=c_1+\cdots+c_n$. Prove

提示

当 $\left\{ C_{n}\right\} $ 收敛于某个常数 $C$, 使用常见的不等式 $\left(x^{\alpha}+y^{\alpha}\right)^{1/\alpha}<x+y$, $x^{\alpha}+y^{\alpha}<\left(x+y\right)^{\alpha}$.

取 $\epsilon=\frac{C}{2}$, $\exists N$, s.t. $\forall n>N$, $\left|C_{n}-C\right|<\epsilon$,
也即 $\frac{3C}{2}>C_{n}>\frac{C}{2}$. 再用夹逼原理:

若 $\left\{ C_{n}\right\} $ 发散于无穷大, 用 Stolz 公式

由于

所以

原极限化为