2002 AIME II 第 6 题

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6.

求与下式最接近的整数: 1000∑n=3100001n2−41000 \sum_{n=3}^{10000} \frac{1}{n^2 - 4}
Find the integer that is closest to 1000∑n=3100001n2−4.1000 \sum_{n=3}^{10000} \frac{1}{n^2 - 4}.
答案:521
知识点:裂项相消部分分式估算
小提示:
分解 n2−4=(n−2)(n+2)n^2 - 4 = (n-2)(n+2),并用部分分式让求和裂项相消。
Factor n2−4=(n−2)(n+2)n^2 - 4 = (n-2)(n+2) and use partial fractions to make the sum telescope
大提示:
前端只剩下 11、12\frac{1}{2}、13\frac{1}{3}、14\frac{1}{4},再减去四个接近 110000\frac{1}{10000} 的小尾项。
Only 1,1, 12,\frac{1}{2}, 13,\frac{1}{3}, 14\frac{1}{4} survive at the front, minus four tiny tail terms near 110000\frac{1}{10000}
解答:
因为 1n2−4=14(1n−2−1n+2)\frac{1}{n^2 - 4} = \frac{1}{4}\left(\frac{1}{n-2} - \frac{1}{n+2}\right),所以该和裂项相消:1000∑n=3100001n2−4=250(1+12+13+14−19999−110000−110001−110002)。 \begin{aligned} &1000 \sum_{n=3}^{10000} \frac{1}{n^2 - 4} \\ &\tiny{}= 250\left(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} - \frac{1}{9999} - \frac{1}{10000} - \frac{1}{10001} - \frac{1}{10002}\right) \end{aligned}\text{。}
令 rr 等于 250250 乘以四个正尾项之和。于是 0<r<250⋅49999<130 \lt r \lt 250 \cdot \frac{4}{9999} \lt \frac{1}{3}。原式的值为 520+56−r520 + \frac{5}{6} - r,所以它严格介于 520+12520 + \frac{1}{2} 与 520+56520 + \frac{5}{6} 之间。因此最接近的整数是 521521。
Since 1n2−4=14(1n−2−1n+2),\frac{1}{n^2 - 4} = \frac{1}{4}\left(\frac{1}{n-2} - \frac{1}{n+2}\right), the sum telescopes: 1000∑n=3100001n2−4=250(1+12+13+14−19999−110000−110001−110002). \begin{aligned} &1000 \sum_{n=3}^{10000} \frac{1}{n^2 - 4} \\ &\tiny{}= 250\left(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} - \frac{1}{9999} - \frac{1}{10000} - \frac{1}{10001} - \frac{1}{10002}\right). \end{aligned}
Let rr be 250250 times the sum of the four positive tail fractions. Then 0<r<250⋅49999<13.0 \lt r \lt 250 \cdot \frac{4}{9999} \lt \frac{1}{3}. The value of the expression is 520+56−r,520 + \frac{5}{6} - r, so it lies strictly between 520+12520 + \frac{1}{2} and 520+56.520 + \frac{5}{6}. Hence the closest integer is 521.521.
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