17 votos

¿Cuantos valores toma la expresión $1 \pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n$?

¿Cuántos diferentes valores toma la expresión $1 \pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n$?

Me preguntaba sobre este problema y no creo que era inmediatamente evidente. La respuesta no puede ser $2^{n-1}$ puesto que las combinaciones de todos pueden no ser únicas. Estaba pensando en mirar las particiones de $\{1,2,\ldots,n, k\}$ que $1 \pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n = k$ y, por tanto, la suma deben ser uniforme. Por lo tanto, $\dfrac{n(n+1)}{2}+k = \dfrac{n(n+1)+2k}{2}$ debe ser incluso que significa $n(n+1) + 2k$ debe ser un múltiplo de $4$ % que $n(n+1)+2k = 4m$. Así si $n \equiv 1,2 \bmod 4$, entonces el $k \equiv 1,3 \bmod 4$ y $n \equiv 3,0 \bmod 4$ y $k \equiv 0,2 \bmod 4$.

7voto

David K Puntos 19172

Para comenzar con, usted puede olvidarse de que el líder plazo, $1$. Todo lo que término que hace es cambiar todos los valores de un lugar a la derecha en el número de línea. La expresión $\pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n$ tiene el mismo número de valores distintos como $1 \pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n$.

A partir de este momento y hasta nuevo aviso, voy a considerar sólo las sumas de la forma $\pm 2 \pm 3 \pm \cdots \pm n$.

Todas las sumas posibles tienen la misma paridad.

El mínimo de la suma es $\sum_{i=2}^n(-i) = -\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, cuando todos los $\pm$ signos son negativos. La suma de $-\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 2$ está claro que no es alcanzable, pero $-\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 4$ es, mientras $n \geq 2$.

Ahora, siempre y cuando la suma incluye dos términos $j - (j+1)$ (positivo seguido por la negativa), podemos cambiar los dos términos a $-j + (j+1)$ y por lo tanto aumentar la suma por $2$.

Si no existen tales términos, es decir, todos los términos negativos se producen antes de que cualquiera de los términos positivos, la suma tiene la forma $$-2 - 3 - \ldots - (j-1) - j + (j+1) + \ldots + n = k \tag1$$ donde $1 \leq j \leq n$. (En el caso de $j = 1$, todos los términos son positivos.)

Ya hemos considerado el caso de $j = n$. En el caso de $j=1$, la suma tiene el valor máximo, $\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, y en el caso de $j=2$, la suma tiene el segundo mayor valor posible, $\frac{(n+2)(n-1)}{2} - 4$. Ahora supongamos que en lugar de que $3 \leq j \leq n-1$. A continuación, podemos cambiar la suma en la línea $(1)$ a $$2 - 3 - \ldots - (j-1) + j - (j+1) + \ldots + n = k + 2.$$

En otras palabras, si $n > 3$, excepto para los valores $-\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, $\frac{(n+2)(n-1)}{2} - 4$, e $\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, cada valor posible de la suma (incluyendo $-\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 4$) corresponde a otra suma que es mayor por $2$. De modo que las sumas posibles son $-\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, $\frac{(n+2)(n-1)}{2}$, y cada entero de la misma paridad de $-\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 4$ a $\frac{(n+2)(n-1)}{2} - 4$, inclusive.

El número de enteros en $\left[-\frac{(n+2)(n-1)}{2}, \frac{(n+2)(n-1)}{2}\right]$ es $(n+2)(n-1) + 1$, y los de la misma paridad $\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 1$. Así que si $n > 3$, el número total de sumas posibles (excluyendo el los valores de $-\frac{(n+2)(n-1)}{2}+2$$\frac{(n+2)(n-1)}{2}-2$, que no son posibles sumas) es $$\left(\frac{(n+2)(n-1)}{2} + 1\right) - 2 = \frac12(n^2 + n - 4).$$

Por ejemplo, si $n=4$ hay $8$ sumas posibles: $-9,-5,-3,-1,1,3,5$, e $9$.

Por la inspección, esta fórmula también se da el número de sumas de dinero para $n=3$ (las cantidades son $-5,-1,1,$$5$), pero el número de sumas de dinero para $n=2$$2$, que no está de acuerdo con la fórmula; $n=2$ debe ser tratada como un caso especial.


Si modifica la expresión original, haciendo que el primer término de $\pm1$, es decir, si consideras $\pm 1 \pm 2 \pm \cdots \pm n$, el mínimo es de $-\frac{n(n+1)}{2}$, el máximo es de $\frac{n(n+1)}{2}$, y todos los enteros de la misma paridad entre los valores son sumas posibles.

4voto

JeanMarie Puntos 196

Nos permiten utilizar funciones de generación

$$G_n(X)=X\prod_{k=2}^n(X^{-k}+X^k)=\dfrac{1}{X^p}\prod_{k=2}^n(1+X^{2k}) \ \ \ \text{with} \ \ \ p=\frac{n(n+1)}{2}-2$$ (muy cerca de la propuesta de @Jack D'Aurizio). De esta manera, la transferencia de la cuestión en contar cuántas combinaciones como positivo o negativo exponentes de la indeterminada $X$ están presentes en la expansión de $G_n(X)$.

Nos dejemos manipular los primeros valores de $n$ que es suficiente para obtener una buena percepción del método.

Comenzamos por el caso de $n=3$:

$$G_3(X)=X(X^{-2} + X^2)(X^{-3} + X^3)=$$ $$X^{1-2-3} + X^{1+2-3} + X^{1-2+3} +X^{1+2+3}$$ $$=X^{-4} + X^0 + X^2 + X^6$$

Nota la simetría central (con respecto a la posición $1$) de los exponentes $-4,0,2,6$. Esta simetría central existen para todos los valores de $n$.

Veamos ahora los casos de $n=4, 5, 6$:

$n=4$:

$$G_4(X)=X(X^{-2} + X^2)(X^{-3} + X^3)(X^{-4} + X^4) =$$ $$X^{-8} + X^{-4} + X^{-2} + X^0+ X^2 + X^4 + X^6 + X^{10}$$

Hasta ahora, no hay repeticiones. Aquí vienen a por $n \geq 5$:

$n=5$:

$$G_5(X)=X(X^{-2} + X^2)(X^{-3} + X^3)(X^{-4} + X^4)(X^{-5} + X^5)$$ $$=X^{-13} + X^{-9} + X^{-7} + X^{-5} + 2X^{-3} + X^{-1} + 2\,X + X^3 + 2\,X^5 + X^7 + X^9 + X^{11} + X^{15}$$

Esta vez, no todos los coeficientes son uno; la razón es clara: por ejemplo, monomio $^2X^5$ significa que $5$ se puede obtener de dos maneras, es decir, $1+2+3+4-5$$1-2-3+4+5$. Este es un "valor añadido" de la aproximación por funciones de generación.

Un último caso, $n=6$, con el fin de ver las diferencias entre los casos de $n$ impar y $n$ incluso:

$$X(X^{-2} + X^2) \cdots (X^{-5} + X^5)(X^{-6} + X^6)=$$ $$=X^{-19} + X^{-15} + X^{-13} + X^{-11} + 2X^{-9} + 2X^{-7} + 2X^{-5} + 2X^{-3} + 3X^{-1} + 2\,X + 3\,X^3 + 2\,X^5 + 2\,X^7 + 2\,X^9 + 2\,X^{11} + X^{13} + X^{15} + X^{17} + X^{21}$$

No voy a ir más allá de este punto, porque hay una clara relación de recurrencia, pero el desarrollo se vería al lector como parafraseando el (muy detallado) redacción de @David K .

1voto

Roger Hoover Puntos 56

Sugerencia: $$ 1\pm 2\pm 3\pm 4\ldots \pm n = \frac{n(n+1)}{2}-a_2-a_3-\ldots-a_n, \qquad a_k\in\{0,2k\}.$ $ considerar $(1+x^4)(1+x^6)\cdot\ldots\cdot(1+x^{2n})$. ¿Cuántos monomios aparecen en la expansión?

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X