問
簡單
是也。
如果變成中四 M2 的 MI 習題:
利用數學歸納法證明,對於任何正整數 ,
不知同學會否覺得不太容易?
利用下圖,或可略略帶出式子的意義。先把「垂直」的點數加起,即
再把「水平」的點數加起,即 ,考慮點的總數為
,輕易得
利用同樣的圖,考慮不同的數算方法:
不難得出另一個結果:
現在多寫個簡單例子:
考慮 ,
,問長方形
(包邊界)上有多少格點(grid points,即x,y坐標為皆整數的點)?
例如下圖,(即
)
長方形 上,共有
個格點,見
如用 表達,格點則有
個。這裡的方括號
代表不大於
的最大整數,所以
好了,現在用另一個方式數算長方形 上的格點數目。
引入函數嚴格遞增(strictly increasing)函數 :
它的圖像(graph)把格點分成三類:
第一類,在圖像或以下的格點,紅色者:
共有 個(如上圖,即
);
一般地,共有 個。
第二類,在圖像或以上的格點,綠色者:
共有 個;其中
即
的反函數(inverse function)(如上圖,即
);
一般地,共有 個。
第三類,在圖像上的格點,黃色者:
共有 2 個。
所以,如上例,長方形 上的格點共有
個。
一般地,考慮 ,
,長方形
上的格點數目共有
其中 是在圖像上的格點之數目。
故推得:
……… (*)
隨便運用一下 (*),比如求以式的值:
解:
設 ,
則 (為何?)
代
那麼,在 圖像上的格點,共 x-坐標分別是
,共 100 個,亦即
由 (*),得
即
(因為
)
一般地,同學試試證明:
同學,有信心找 嗎?
最後,設 為互素(relatively prime)的正整數,考慮直線
不難得到:
同學,試證之。(提示是 上的格點數目和在
上的相同。且因為
互素,當
,線段 OC 上並無格點。)
有接觸初等數論的同學,對二次互反律(Law of Quadratic Reciprocity)不會陌生,當中引理的其中一個證明方法,便可利用考慮上述格點數目而得,有興趣也溫習一下吧:
https://en.wikipedia.org/wiki/Quadratic_reciprocity
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點解
https://johnmayhk.wordpress.com/2014/08/09/solve-by-dots/
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