本题单调性的严谨证明
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本题单调性的严谨证明
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dbxxx楼主2022/11/13 22:49

本题中所有题解的单调性正确性似乎都有或多或少的问题,在这里我给出一个严谨的单调性证明。

首先:xpxx - \lfloor px \rfloor 这个函数并不是单调不降的,它只在整点上单调不降,可以在 desmos 中画一个 x0.9xx - \lfloor 0.9x \rfloor 的函数试试看,你会发现它并没有单调性。当然,xpxx - px 有单调性。

所以一切直接抛开下取整对单调性的证明是没有任何道理的,这就叉掉了本题大量题解,包括但不限于第一篇题解。

同时,一切没有用到 x1x_1x2x_2 这两个数为整数这个性质就证出了这个函数的单调性的都是伪证,本题疑似所有题解全都是伪证。lyd 蓝书上的证明也是伪证,具体原因见下。

前置知识:

  • 下取整函数单调不降,即对于 x1<x2x_1 < x_2x1x2\lfloor x_1\rfloor \le \lfloor x_2 \rfloor
  • 整数可以自由移入移出下取整函数,即对于 zZz \in \Z,有 x+z=x+z\lfloor x \rfloor + z = \lfloor x + z \rfloor
  • 注意:负号不能随便移入移出,3.43.4\lfloor -3.4 \rfloor \ne - \lfloor 3.4 \rfloor
  • 关于这点很容易犯的一个错误就是对于 zZz \in \Z,有zx=zx\lfloor z - x \rfloor = z - \lfloor x \rfloor,事实上这点根本不成立,举个反例:10.310.3\lfloor 1 - 0.3 \rfloor \ne 1 - \lfloor 0.3\rfloor
  • 刚刚这条错误就是很多伪证的错误原因所在,包括 lyd 蓝书的证明也存在这个伪证

真正证明:

命题:对于 x1,x2Z,x1x2,0<p<1x_1, x_2 \in \Z, x_1 \ge x_2, 0< p < 1,有 x1px1x2px2x_1 - \lfloor px_1 \rfloor \ge x_2 - \lfloor px_2 \rfloor

证明:x1>x2x1,x2Zx_1 > x_2 \land x_1, x_2 \in \Z,因此 x1x2Nx_1 - x_2 \in \N。又因为 0<p<10 <p < 1,所以:

x1x2p(x1x2)x1x2+px2px1px2+(x1x2)px1px2+(x1x2)px1x1px1x2px2\begin{aligned}x_1 - x_2 &\ge p(x_1 - x_2) \\ x_1 - x_2 + p x_2 & \ge px_1 \\ \lfloor px_2 + (x_1 - x_2) \rfloor & \ge\lfloor px_1 \rfloor \\ \lfloor px_2 \rfloor + (x_1 - x_2) & \ge \lfloor px_1 \rfloor \\ x_1 - \lfloor px_1 \rfloor & \ge x_2 - \lfloor px_2 \rfloor \end{aligned}

证明出了这一点的单调性之后,事实上我们就解决了 q=0q = 0 的单调性问题,接下来解决 q0q \ge 0 的。

我们假设某一秒,我们切开了一个数 x1x_1,下一秒,我们切开了一个数 x2+qx_2 + qx2+qx_2 + q 在上一秒时为 x2x_2,因此 x1x2x_1 \ge x_2。我们的证明目标是 px1+qp(x2+q)\lfloor px_1\rfloor+ q \ge \lfloor p(x_2 + q)\rfloorx1px1+qx2p(x2+q)x_1 - \lfloor px_1\rfloor+ q \ge x_2 - \lfloor p(x_2 + q)\rfloor

需要注意这个证明目标也有很多题解搞错,包括 lyd 蓝书也搞错了这个证明目标,同时证明也存在上面所说的问题(那条假结论)

对于第一条:px1+q=px1+qpx2+pq=p(x2+q)\lfloor px_1\rfloor+ q = \lfloor px_1 + q\rfloor \ge \lfloor px_2 + pq\rfloor = \lfloor p(x_2 + q)\rfloor

对于第二条:x1px1+qx2px2x2p(x2+q)x_1 - \lfloor px_1\rfloor+ q \ge x_2 - \lfloor px_2\rfloor \ge x_2 - \lfloor p(x_2 +q) \rfloor。这里第一个不等号用了 q=0q = 0 的证明结论。

2022/11/13 22:49
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