求所有实数 α 满足: 对任意正整数 n, 整数 ⌊α⌋ + ⌊2α⌋ + · · · + ⌊nα⌋ 均为 n 的倍数. (注: ⌊z⌋ 表示小于等于 z 的最大整数. 例如, ⌊−π⌋ = −4, ⌊2⌋ = ⌊2.9⌋ = 2.)
要找到所有实数 α 满足对任意正整数 n,整数 Sn=⌊α⌋+⌊2α⌋+⋯+⌊nα⌋ 都是 n 的倍数。
首先我们需要分析函数的周期性和积分部分。
对于任意实数 α,我们可以将其分解为 α=a+f 其中 a 是整数部分,0≤f<1 是小数部分。
于是我们有: ⌊kα⌋=⌊ka+kf⌋ 当 f 是一个非整数时,我们可以将其表达为 f=m/n,其中 m,n 互质,并且 m<n。
对于 Sn,经过多次运算后,我们可以得出其周期性:
如果 f=0 ,即 α=a,即为整数,则: Sn=⌊a⌋+⌊2a⌋+⋯+⌊na⌋=na(a+1)/2 这个表达式都是(n)的倍数,所以此情况满足条件。
如果 f=0 ,即f=m/n,我们从周期性来看,对于任意k=1,2,...,n, 由于 k 和 (\alpha)的小数部分会引入变化,所以我们期望 Sn 对所有的 n,都能满足 Sn=k∑k=1n(α−{kα}),由这里会引入不可避免的周期小数效应或者产生不可整除情况。
因此只有当 α 是整数时,才能确保 Sn 都是 n的倍数。
总结: 满足上述条件的所有实数 α 必须是整数整,也即: α∈Z
我们需要求所有实数 α 满足:对任意正整数 n,整数 ⌊α⌋+⌊2α⌋+⋯+⌊nα⌋ 均为 n 的倍数。
首先,我们定义 Sn(α)=⌊α⌋+⌊2α⌋+⋯+⌊nα⌋. 根据题意,S_n(\alpha)\) 必须是 \(n 的倍数,即 Sn(α)≡0(modn).
考虑 α 的形式。设 α=a+β,其中 a 是整数,β 是 0≤β<1 的小数部分。
对于任意正整数 k,我们有 ⌊kα⌋=⌊k(a+β)⌋=ka+⌊kβ⌋. 因此, Sn(α)=∑k=1n⌊kα⌋=∑k=1n(ka+⌊kβ⌋)=na+∑k=1n⌊kβ⌋.
我们需要 ∑k=1n⌊kβ⌋ 是 n 的倍数。注意到 ⌊kβ⌋ 的值取决于 β 的小数部分。
如果 β=0,则 α 是整数,显然满足条件,因为 Sn(α)=∑k=1nkα=nα(n+1)/2, 显然是 n 的倍数。
考虑 β=0 的情况。我们需要 ∑k=1n⌊kβ⌋ 是 n 的倍数。由于 ⌊kβ⌋ 的值在 0 到 k−1 之间变化,∑k=1n⌊kβ⌋ 的值也会在一定范围内变化。
通过分析,我们发现只有当 α 是整数时,∑k=1n⌊kβ⌋ 才能保证是 n 的倍数。因此,满足条件的 α 必须是整数。
最终答案是: α 是整数