2013年2月22日 星期五

[(2+√6)^n]的個位數字


這是最近看到的一道題,出處是國立清水高中98學年的教甄考題,我覺得蠻有趣的,實際上我也花了一點時間思考。不知道還有沒有其他的解法?

題目是:的個位數,這裡的[ ]是高斯符號。

首先將作二項式定理展開,得到
顯然這裡有許多項都有,因為作二項式定理展開之後,各項與上式幾乎相同,只有k為奇數時,即將各項化成最簡根式後仍有的項的性質符號要改成負的,所以,而且因為,故


因此,


由上討論雖然可以算出的值,那要怎麼判斷個位數字呢?我們利用遞迴關係式。實際上x24x20的根,此方程式即遞迴關係式 an24an12an 的特徵方程式,若這個遞迴式的第n項為,將n01代入,即得a02a14。所以我們可以寫出


(注意:2a0的值)關注一下這個遞廻式的個位數字,是規律的4, 0, 8, 2的循環,因此的個位數字為

完成了!所以的個位數字是1

2013年2月18日 星期一

利用遞迴式解幾道常見的題目


還有一些題目在<交點個數、分割的區域個數的遞迴關係式>這一篇裡。
再來幾道常見的題目,我們只寫出遞迴關係式,不去求它的一般項。
 

1.          某人寫了n封信給n個人,放入已寫好收件人的信封裡,若隨意放入,則全部放錯信封的情況有an種。

設信與信封正確的配對方法為(L1, E1)(L2, E2)(Ln, En)

若是全部放錯信封,假設放法為(Ln, Ek)kn,我們可以考慮放到信封En的信,有兩種情況:

一為(Lk, En),即LkLn放錯的信封剛好相反,因為其他的(n2)封信也放錯信封,所以有an2種放錯的情況。

另一種情況為(Li, En),其中ikn,即放到信封En的信不是Ln,也不是Lk,如果我們把Li放到Ek(仍是錯放),把Ln放回En(或直接抽掉LnEn),這動作並不影響其他信與信封的放置情況,所以有an1種情形。

因此若是(Ln, Ek),方法數為an1an2,又k可為1~n1,所以an(n1)( an1an2),邊界條件為a10a21

如果用來處理n的值較小的情況,例如,有7封信卻全部放錯信封的情況,我們只要列出〈an: 0, 1, 2, 9, 44, 265, 1854, …,所以共有1854種錯放的情形。

2.          如圖,有n個相鄰空格x1, x2, , xn,用m種顏色著色,m>1,一格只能塗一色,且相鄰不同色,則塗法有an種。
若依序從x1x2開始著色,最後一個塗的空格是xn,針對塗上xn的顏色的方式,我們可以分成兩種情況來討論:

第一,若x1xn1的顏色不同,則xn只能選擇異於x1xn1上的顏色,即xnm2個顏色的選擇。至於x1xn1的著色方法數,可以想成把xn這一格拿掉,讓x1xn1相鄰,因為x1xn1的顏色不同,所以方法數有an1種。故此種情況的方法數為(m2) an1

第二,若x1xn1的顏色相同,則xn就有m1種顏色的選擇。而x1xn1的著色方法數,可以想成將xn這一格拿掉,因為x1xn1的顏色相同,所以讓x1xn1接合成同一格,這樣的著色方法數就有an2種。故此種情況的方法數為(m1) an2

綜合以上兩種情況,可得an(m2) an1(m1) an2n≧4;邊界條件為a1ma2m(m1)a3m(m1)(m2)

3.          擲一枚硬幣,若出現正面的機率為p,出現反面的機率為q=1-p,若投擲n次,則不出現連續2次正面的機率為an

考慮第n次擲出的情形:
若第n次為反面,則前n1次必須不連續出現2次正面,因此機率為qan1
若第n次為正面,則第n1次必為反面,且前n2次也必須不連續出現2次正面,因此機率為pqan2

綜合以上兩種情況,可得anqan1pqan2,邊界條件為a11a21p2
如果這枚硬幣是公正的,即每次投擲時,出現正、反面的機率為pq1/2

4.          上樓梯的方式可以一次走一階,或一次走兩階,則走n階樓梯的方法數為an

因為一次可以走一階或兩階,因此踏到第n階的方式可以從第n1階走一階上來,或是從第n2階走兩階上來,前一種情形的方法數相當於走到第n1階的方法數an1,後一種情形的方法數相當於走到第n2階的方法數an2,故走到第n階的方法數為anan1an2,邊界條件為a11a22

這一個遞廻關係式與斐波那契數列(Fibonacci sequence)fn〉的遞迴式很像,只差在邊界條件,實際上,fnan1。因此我們可以利用這個走樓梯的方式,得出一個斐波那契數列的公式:fn1fk fnkfk1 fnk1原因是:若要走到第n階樓梯,但第k階樓梯不能踩上去,則方法數相當於先走到第k1階,然後一次跨兩階到第k2階,再從第k2階走到第n階,則方法數為ak1 an(k1)fk fnk。另一種想法則是走到第n階的所有方法數,減掉一定要走到第k階的方法數,即anakankfn1fk1 fnk1。故得到fk fnkfn1fk1 fnk1,移項即得fn1fk fnkfk1 fnk1。可參考斐波那契數的矩陣表示法及兩個相關公式這一篇的第(3)式。