2017 AIME I 第 13 题

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13.

对每个 m≥2m \ge 2,令 Q(m)Q(m) 为具有以下性质的最小正整数:对每个 n≥Q(m)n \ge Q(m),在范围 n<k3≤m⋅nn \lt k^3 \le m \cdot n 内总存在一个完全立方数 k3k^3。求 ∑m=22017Q(m)\sum_{m=2}^{2017} Q(m) 除以 10001000 的余数。

For every m≥2,m \ge 2, let Q(m)Q(m) be the least positive integer with the following property: For every n≥Q(m),n \ge Q(m), there is always a perfect cube k3k^3 in the range n<k3≤m⋅n.n \lt k^3 \le m \cdot n. Find the remainder when ∑m=22017Q(m)\sum_{m=2}^{2017} Q(m) is divided by 1000.1000.

答案:59
知识点:完全幂极限情形界定分类讨论
难度评级:3160
小提示:

相邻立方数的比为 (1+1k)3\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3,它随着 kk 增大而减小,所以只有较小的 mm 可能有 Q(m)>1Q(m) \gt 1

The ratio of consecutive cubes is (1+1k)3,\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3, which shrinks as kk grows, so only small mm can have Q(m)>1Q(m) \gt 1

大提示:

对每个 m≥8m \ge 8 都有 Q(m)=1Q(m) = 1;对 m=2,…,7m = 2, \ldots, 7,利用像 (27,64)(27, 64) 和 (8,27)(8, 27) 这样的空隙,找出最后一个使区间 (n,mn](n, mn] 跳过立方数的 nn

Q(m)=1Q(m) = 1 for every m≥8;m \ge 8; for m=2,…,7m = 2, \ldots, 7 find the last nn where the interval (n,mn](n, mn] skips a cube, using gaps like (27,64)(27, 64) and (8,27)(8, 27)

解答:

如果 k3≤n<(k+1)3k^3 \le n \lt (k+1)^3,那么只要 (k+1)3≤mk3(k+1)^3 \le m k^3,也就是 (1+1k)3≤m\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le m,区间 (n,mn](n, mn] 就含有立方数 (k+1)3(k+1)^3。因为对所有 k≥1k \ge 1 都有 (1+1k)3≤8\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le 8,所以每个 m≥8m \ge 8 都有 Q(m)=1Q(m) = 1。

对 4≤m≤74 \le m \le 7:n=1n = 1 不满足,因为 (1,m](1, m] 中没有立方数;但对 n≥2n \ge 2,区间总满足条件:8≤4n8 \le 4n 覆盖 2≤n≤72 \le n \le 7,且 (1+1k)3≤278<4\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le \frac{27}{8} \lt 4 覆盖 k≥2k \ge 2。所以 Q(4)=Q(5)Q(4) = Q(5) =Q(6)=Q(7)=2= Q(6) = Q(7) = 2。对 m=3m = 3:n=8n = 8 不满足((8,24](8, 24] 中没有立方数),而 27≤3n27 \le 3n 覆盖 9≤n≤269 \le n \le 26,且 (43)3<3\left(\frac{4}{3}\right)^3 \lt 3 覆盖 k≥3k \ge 3,所以 Q(3)=9Q(3) = 9。对 m=2m = 2:n=31n = 31 不满足((31,62](31, 62] 中没有立方数),而 64≤2n64 \le 2n 覆盖 32≤n≤6332 \le n \le 63,且 (54)3<2\left(\frac{5}{4}\right)^3 \lt 2 覆盖 k≥4k \ge 4,所以 Q(2)=32Q(2) = 32。

因此 ∑m=22017Q(m)=32+9+4⋅2+2010⋅1=2059, \begin{aligned} &\sum_{m=2}^{2017} Q(m) \\ &\quad = 32 + 9 + 4 \cdot 2 + 2010 \cdot 1 \\ &\quad = 2059 \end{aligned}\text{,}余数为 5959。

If k3≤n<(k+1)3,k^3 \le n \lt (k+1)^3, then the interval (n,mn](n, mn] contains the cube (k+1)3(k+1)^3 as long as (k+1)3≤mk3,(k+1)^3 \le m k^3, i.e. (1+1k)3≤m.\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le m. Since (1+1k)3≤8\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le 8 for all k≥1,k \ge 1, every m≥8m \ge 8 has Q(m)=1.Q(m) = 1.

For 4≤m≤7:4 \le m \le 7: n=1n = 1 fails since (1,m](1, m] contains no cube, but for n≥2n \ge 2 the interval works: 8≤4n8 \le 4n covers 2≤n≤7,2 \le n \le 7, and (1+1k)3≤278<4\left(1 + \frac{1}{k}\right)^3 \le \frac{27}{8} \lt 4 covers k≥2.k \ge 2. So Q(4)=Q(5)Q(4) = Q(5) =Q(6)=Q(7)=2.= Q(6) = Q(7) = 2. For m=3:m = 3: n=8n = 8 fails (no cube in (8,24](8, 24]), while 27≤3n27 \le 3n covers 9≤n≤269 \le n \le 26 and (43)3<3\left(\frac{4}{3}\right)^3 \lt 3 covers k≥3,k \ge 3, so Q(3)=9.Q(3) = 9. For m=2:m = 2: n=31n = 31 fails (no cube in (31,62](31, 62]), while 64≤2n64 \le 2n covers 32≤n≤6332 \le n \le 63 and (54)3<2\left(\frac{5}{4}\right)^3 \lt 2 covers k≥4,k \ge 4, so Q(2)=32.Q(2) = 32.

Therefore ∑m=22017Q(m)=32+9+4⋅2+2010⋅1=2059, \begin{aligned} &\sum_{m=2}^{2017} Q(m) \\ &\quad = 32 + 9 + 4 \cdot 2 + 2010 \cdot 1 \\ &\quad = 2059, \end{aligned} and the remainder is 59.59.

第 12 题#12
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