T-Quiz 1

Gửi các bạn học sinh lớp 8 và lớp 9.

The sum of the reciprocals of the primes

Với mỗi số nguyên dương $n$ , ký hiệu $p_n$ là số nguyên tố thứ $n$ trong dãy tăng tất cả các số nguyên tố. Như vậy $p_1=2$ , $p_2=3$ , $p_3=5$ ,…

Trong bài này chúng tôi sẽ giới thiệu một chứng minh của kết quả sau:

Định lý. Chuỗi $\displaystyle \frac{1}{p_1}+\frac{1}{p_2}+\frac{1}{p_3}+\ldots$ là một chuỗi phân kỳ.

Chứng minh. Giả sử ngược lại, khi đó với mỗi số nguyên dương $k$ , chuỗi $\displaystyle\sum_{m=k}^{+\infty}\frac{1}{p_m}$ là một chuỗi hội tụ, gọi $S_k$ là tổng của nó. Vì $\lim S_k=0$ nên tồn tại số nguyên $k$ sao cho $\displaystyle S_{k+1}<\frac{1}{2}$ . Đặt $Q=p_1p_2\ldots p_k$ và xét các số $1+nQ\, (n=1,2,\ldots)$ . Mỗi số trong dãy này đều không có ước nguyên tố thuộc $\{p_1, p_2, \ldots, p_k\}$ , do đó với mỗi số nguyên dương $r$ , tồn tại số nguyên dương $K$ đủ lớn để

$\displaystyle\sum_{n=1}^r\frac{1}{1+nQ}\leq\sum_{t=1}^{K}S_{k+1}^t<1.$

Điều này không thể xảy ra do chuỗi $\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{1+nQ}$ là một chuỗi phân kỳ. $\Box$

Tham khảo

[1] https://nttuan.org/2018/12/30/series/

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Divergence_of_the_sum_of_the_reciprocals_of_the_primes

Functional equations on real line I

Trong mục này, qua các ví dụ và bài tập, chúng tôi sẽ giới thiệu các kỹ thuật cơ bản để giải các phương trình hàm trên tập số thực.

Ví dụ 1. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ sao cho

$f(x)f(y)=xy-f(x+y),\quad \forall x,y\in\mathbb{R}.$

Lời giải. Giả sử $f$ là một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài, khi đó

$f(x)f(y)=xy-f(x+y),\quad \forall x,y\in\mathbb{R}.\quad (1)$

Trong (1), cho $x=y=0$ ta có $f(0)^2=-f(0)$ , suy ra $f(0)=0$ hoặc $f(0)=-1$ . Nếu $f(0)=0$ thì trong (1), chọn $y=0$ ta có $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . Kiểm tra ta thấy hàm số này không thỏa mãn. Bây giờ ta xét trường hợp $f(0)=-1$ .

Trong (1), cho $x=1$ và $y=-1$ ta có $f(1)f(-1)=0$ , suy ra $f(1)=0$ hoặc $f(-1)=0$ .

Trường hợp 1: $f(1)=0$ .

Trong (1), chọn $y=1$ , ta có $f(x+1)=x$ với mọi số thực $x$ , suy ra $f(x)=x-1,\quad\forall x\in\mathbb{R}.$

Trường hợp 2: $f(-1)=0$ .

Trong (1), chọn $y=-1$ , ta có $f(x-1)=-x$ với mọi số thực $x$ , suy ra $f(x)=-x-1,\quad\forall x\in\mathbb{R}.$

Khi $f(x)=x-1$ thì với mỗi số thực $x$ và $y$ , ta có

$xy-f(x+y)=xy-(x+y-1)=(x-1)(y-1)=f(x)f(y),$

suy ra hàm số này thỏa mãn yêu cầu của đề bài.

Khi $f(x)=-x-1$ thì với mỗi số thực $x$ và $y$ , ta có

$xy-f(x+y)=xy+(x+y+1)=(-x-1)(-y-1)=f(x)f(y),$

suy ra hàm số $f(x)=-x-1$ cũng thỏa mãn.

Vậy có hai hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài, đó là $f(x)=x-1$ và $f(x)=-x-1$ . $\Box$

Ví dụ 2. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ thỏa mãn

$f(f(x)+y)=yf(x-f(y)),\quad\forall x,y\in\mathbb{R}.$

Lời giải. Giả sử $f$ là một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài. Khi đó

$f(f(x)+y)=yf(x-f(y)),\quad\forall x,y\in\mathbb{R}.\quad (1)$

Trong (1), chọn $y=0$ , ta có $f(f(x))=0$ với mọi số thực $x$ . Từ đây, bằng cách thay $x$ bởi $f(y)$ vào (1), ta có $f(y)=f(0)y$ với mọi số thực $y$ . Suy ra $f(0)=0$ và $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . Ngược lại, kiểm tra thấy hàm số $f(x)=0$ thỏa mãn.

Vậy có đúng một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài, đó là $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . $\Box$

Ví dụ 3. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ thỏa mãn

$\displaystyle f(xy)=\frac{f(x)+f(y)}{x+y}$

với mọi số thực $x$ và $y$ sao cho $x+y\not=0.$

Lời giải. Giả sử $f$ là một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài. Khi đó

$\displaystyle f(xy)=\frac{f(x)+f(y)}{x+y}$

với mọi số thực $x$ và $y$ sao cho $x+y\not=0. \quad (*)$

Từ $(*)$ , với $x=0$ và $y=1$ ta có $f(1)=0$ . Vẫn từ $(*)$ , chọn $y=1$ ta được

$xf(x)=0,\quad\forall x\in\mathbb{R}\setminus\{-1\}.$

Nói riêng, $f(2)=0$ . Từ $(*)$ , với $x=2$ và $y=0$ , ta có $f(0)=0$ . Cuối cùng, với $y=0$ , từ $(*)$ ta có $f(x)=0$ với mọi số thực $x\not=0$ . Suy ra $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . Ngược lại, kiểm tra thấy hàm số $f(x)=0$ thỏa mãn.

Vậy có đúng một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài, đó là $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . $\Box$

Ví dụ 4. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ thỏa mãn

$xf(y)+yf(x)=(x+y)f(x)f(y),\quad\forall x,y\in\mathbb{R}.$

Lời giải. Giả sử $f$ là một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài. Khi đó

$xf(y)+yf(x)=(x+y)f(x)f(y),\quad\forall x,y\in\mathbb{R}.\quad (1)$

Từ (1), với $x=y=1$ ta có $f(1)^2=f(1)$ , suy ra $f(1)=0$ hoặc $f(1)=1$ . Nếu $f(1)=1$ thì với $y=1$ , từ (1) ta có $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ . Kiểm tra ta thấy hàm số này thỏa mãn. Bây giờ ta xét trường hợp $f(1)=1$ .

Trong (1), chọn $y=1$ và để ý $f(1)=1$ , ta có $xf(x)=x$ với mọi số thực $x$ . Suy ra tồn tại số thực $a$ để

$f(x)=\begin{cases}1,\quad x\not=0\\ a,\quad x=0.\end{cases}$

Kiểm tra cẩn thận ta thấy hàm số này cũng thỏa mãn.

Vậy các hàm số phải tìm là $f(x)=0$ với mọi số thực $x$ , hoặc

$f(x)=\begin{cases}1,\quad x\not=0\\ a,\quad x=0.\end{cases}$

Ở đây $a$ là một số thực. $\Box$

Ví dụ 5. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ thỏa mãn

$f(x+y) = \max(f(x),y) + \min(f(y),x)$

với mọi số thực $x$ và $y$ .

Lời giải. Giả sử $f$ là một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài. Khi đó

$f(x+y) = \max(f(x),y) + \min(f(y),x)$

với mọi số thực $x$ và $y.\quad (*)$

Từ $(*)$ , lần lượt thay $x=0$ và $y=0$ , ta có

$f(y) = \max(f(0),y) + \min(f(y),0),\quad\forall y\in\mathbb{R},$

và

$f(x) = \max(f(x),0) + \min(f(0),x),\quad\forall x\in\mathbb{R}.$

Suy ra với mỗi số thực $x$ ,

$2f(x)=f(x)+f(x)=(f(0)+x)+(f(x)+0),$

do đó $f(x)=x+f(0),\quad\forall x\in\mathbb{R}$ . Sử dụng điều này, khi thay $x=0$ và $y=f(0)$ , từ $(*)$ ta có $f(0)=\min (2f(0),0)$ . Suy ra $f(0)=0$ , và $f(x)=x$ với mọi số thực $x$ . Ngược lại, kiểm tra thấy hàm số $f(x)=x$ thỏa mãn.

Vậy có đúng một hàm số thỏa mãn yêu cầu của đề bài, đó là $f(x)=x$ với mọi số thực $x$ . $\Box$

Continued fraction expansion of irrational numbers

In this section we use continued fractions for expansion of irrational numbers.

Theorem 1. Let $\displaystyle (x_n)_{n\geq 0}$ be a sequence of intergers with $\displaystyle x_i>0$ for every $\displaystyle i>0$ . Then the sequence $\displaystyle (p_n/q_n)_{n\geq 0}$ is a convergent sequence, and the its limit is an irrational number. We denote this limit by $\displaystyle [x_0;x_1,x_2,\ldots]$ .

Proof. From [1] we have $\displaystyle q_1\geq q_0=1>0$ and for all $\displaystyle n>1$ , $\displaystyle q_n=x_nq_{n-1}+q_{n-2},$ hence by induction on $\displaystyle n$ , $\displaystyle q_{n+1}>q_n$ for every $\displaystyle n\geq 1$ . Therefore $\displaystyle\lim_{n\to \infty}q_n=\infty$ .

By the Proposition 4 in [1], for all $\displaystyle n\geq 0$ ,

$\displaystyle \frac{p_n}{q_n}-\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}}=\frac{(-1)^{n-1}}{q_nq_{n+1}},\quad\quad (1)$

hence $\displaystyle \frac{p_n}{q_n}-\frac{p_{n+2}}{q_{n+2}}=\frac{(-1)^{n-1}(q_{n+2}-q_n)}{q_nq_{n+1}q_{n+2}},\quad \forall n\geq 0.$ Therefore

$\displaystyle \frac{p_1}{q_1}>\frac{p_3}{q_3}>\frac{p_5}{q_5}>\ldots>\frac{p_0}{q_0}$

and

$\displaystyle \frac{p_0}{q_0}<\frac{p_2}{q_2}<\frac{p_4}{q_4}<\ldots<\frac{p_1}{q_1},$

hence $\displaystyle (p_{2n}/q_{2n})_{n\geq 0}$ and $\displaystyle (p_{2n+1}/q_{2n+1})_{n\geq 0}$ are convergent sequences. By (1) and $\displaystyle q_n\to\infty$ we have

$\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{p_{2n}}{q_{2n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{p_{2n+1}}{q_{2n+1}},$ so $\displaystyle (p_n/q_n)_{n\geq 0}$ is a convergent sequence.

Now we prove $\displaystyle \displaystyle \alpha:=\lim_{n\to\infty}\frac{p_n}{q_n}$ is an irrational number. We have

$\displaystyle \frac{p_{2m}}{q_{2m}}<\alpha<\frac{p_{2n+1}}{q_{2n+1}},\quad\forall m,n\geq 0.$

Thus, by (1),

$\displaystyle\left|\alpha-\frac{p_{2n}}{q_{2n}}\right|\leq \frac{1}{q_{2n}q_{2n+1}}<\frac{1}{q_{2n}^2},\quad\forall n\geq 1.$

By the Proposition 2 in [1], $\displaystyle p_{2n}$ and $\displaystyle q_{2n}$ are coprime integers for every $\displaystyle n\geq 1$ , hence there are infinite rational numbers $\displaystyle r/s$ , with $\displaystyle s>0$ and $\displaystyle (r,s)=1$ , such that

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{r}{s}\right| <\frac{1}{s^2}.\quad\quad (2)$

Assume that $\displaystyle \alpha$ is rational and write $\displaystyle \alpha=p/q$ , where $\displaystyle p$ and $\displaystyle q>0$ are coprime integers. For all positive integers $\displaystyle s$ , at most two integers $\displaystyle r$ satisfy the equation (2), hence there are coprime integers $\displaystyle r_0$ and $\displaystyle s_0>q$ such that

$\displaystyle\left|\frac{p}{q}-\frac{r_0}{s_0}\right| <\frac{1}{s_0^2}.$

From the inequality we have $\displaystyle \mid ps_0-qr_0\mid <1$ , hence $\displaystyle ps_0=qr_0$ , a contradiction. Therefore $\displaystyle \alpha$ is an irrational number. $\Box$

Theorem 2. Let $\displaystyle \alpha$ be an irrational number. Then there is a unique sequence of integers $\displaystyle (a_n)_{n\geq 0}$ such that

(1) $\displaystyle a_i>0$ for every $\displaystyle i>0$ .

(2) $\displaystyle \alpha =[a_0;a_1,a_2,\ldots]$ .

Proof. In this proof, $\displaystyle [x]$ is the integer part of $\displaystyle x$ . Because $\displaystyle \alpha$ is an irrational number, we have $\displaystyle [\alpha]<\alpha<[\alpha]+1$ , hence there is a real number $\displaystyle u_1>1$ such that

$\displaystyle \alpha=[\alpha]+\frac{1}{u_1}.$

Because $\displaystyle \alpha$ is an irrational and $\displaystyle [\alpha]$ is an integer, $\displaystyle u_1$ is an irrational number. Hence there is an irrational number $\displaystyle u_2>1$ such that

$\displaystyle u_1=[u_1]+\frac{1}{u_2},$

and so on. Therefore we have real numbers $\displaystyle u_0:=\alpha$ , $u_1>1$ , $\displaystyle u_2>1$ , $\displaystyle \ldots$ such that $\displaystyle u_i$ is irrationals for every $\displaystyle i>0$ and

$\displaystyle u_k=[u_k]+\frac{1}{u_{k+1}},\quad\forall k\geq 0.$

We claim that $\displaystyle \alpha=[[u_0];[u_1],[u_2],\ldots]$ . Fix a $\displaystyle k>2$ . We have

$\displaystyle \alpha=[[u_0];[u_1],\ldots, [u_k],u_{k+1}].$

Hence, by Proposition 4 in [1],

$\displaystyle \left|\alpha-\frac{p_k}{q_k}\right|=\frac{1}{q_k(u_{k+1}q_{k}+q_{k-1})}<\frac{1}{q_k^2},$

so $\displaystyle \lim_{n\to\infty}\frac{p_n}{q_n}=\alpha$ . Now assume that

$\displaystyle \alpha =[a_0;a_1,a_2,\ldots]=[b_0;b_1,b_2,\ldots],$

where $\displaystyle (a_n)_{n\geq 0}$ and $\displaystyle (b_n)_{n\geq 0}$ are two sequences of integers such that $\displaystyle a_i>0$ and $\displaystyle b_i>0$ for every $\displaystyle i>0$ .

Because

$\displaystyle [a_0;a_1,a_2,\ldots,a_{n}]=a_0+\frac{1}{[a_1;a_2,\ldots,a_n]},\quad\forall n\geq 0,$

we have

$\displaystyle [a_0;a_1,a_2,\ldots]=a_0+\frac{1}{[a_1;a_2,\ldots]}.$

Hence $\displaystyle a_0=b_0=[\alpha]$ and $\displaystyle [a_1;a_2,a_3,\ldots] = [b_1;b_2,b_3,\ldots]$ . Similarly, $\displaystyle a_1=b_1$ and

$\displaystyle [a_2;a_3,a_4,\ldots] = [b_2;b_3,b_4,\ldots],$

and so on. Therefore $\displaystyle a_i=b_i$ for every $i$ . $\Box$

The equality in the theorem is called an expansion of $\displaystyle \alpha$ into a infinite continued fraction. In that expansion we will call $\displaystyle [a_0;a_1,a_2,\ldots,a_i]$ is the $\displaystyle i-$ th convergent of the continued fraction, or $\displaystyle i-$ th convergent of $\displaystyle \alpha$ . The theorem says that for every irrational number has an expansion into a infinite continued fraction, and this expansion is unique.

Example 1. $\displaystyle \sqrt{2}=[1;2,2,\ldots]$ .

Example 2. The golden ratio $\displaystyle\varphi:=\frac{1+\sqrt{5}}{2}=[1;1,1,\ldots]$ .

Example 3. $\displaystyle e=[2;1,2,1,1,4,1,1,6,1,1,8,\ldots]$ .

A sequence $\displaystyle (a_n)_{n\geq 0}$ is called eventually periodic if $\displaystyle a_{n+T}=a_n$ for some positive integer $\displaystyle T$ and sufficiently large $\displaystyle n$ . A real number is called quadratic irrational number, if there is a polynomial $\displaystyle P(x)$ is of degree two with rational coefficients such that $\displaystyle P(x)$ is an irreducible polynomial (see [3]) over the rational numbers and $\displaystyle \alpha$ is a root of $\displaystyle P(x)$ .

Theorem 3. Let $\displaystyle \alpha$ be an irrational number and $\displaystyle \alpha =[a_0;a_1,a_2,\ldots]$ is the expansion of $\displaystyle\alpha$ into a infinite continued fraction. Then $\displaystyle (a_n)_{n\geq 1}$ is eventually periodic if and only if $\displaystyle \alpha$ is a quadratic irrational.