Принцип Дирихле (стр. 2 из 4)

В ряде задач применяют следующее обобщение принципа Дирихле.

ФОРМУЛИРОВКА 3. "Если nk+1 зайцев размещены в n клетках, то найдутся k+1 зайцев, которые посажены в одну клетку (n, k - натуральные числа)".

Обобщенный принцип Дирихле также достаточно очевиден: если бы в каждой клетке сидело не более k зайцев, то во всех клетках было бы не более nk зайцев, что противоречит условию. Обобщение принципа используют, когда требуется выявить несколько (три и более) объектов, обладающих некоторым свойством. Разберём несколько примеров.

Пример 7. В прямоугольнике 5×6 закрашено 19 клеток. Докажите, что в нём можно выбрать квадрат 2×2, в котором закрашено не менее трёх клеток.

Решение

Разделим прямоугольник на 6 частей по 5 клеток (Cм. рисунок). Согласно принципу Дирихле в одной из этих частей будет закрашено не менее 4 клеток. Тогда в квадрате 2×2, содержащемся в этой части, закрашено либо 3, либо 4 клетки. Это и будет искомый квадрат.

Пример 8. В классе 25 человек. Известно, что среди любых трёх из них есть двое друзей. Докажите, что есть ученик, у которого не менее 12 друзей.

Решение Выберем любых двух учеников класса, которые не дружат между собой. (Если таких нет, то все ученики класса дружат между собой, значит, у каждого имеется 24 друга, и задача решена.) Из оставшихся 23 учеников каждый дружит с одним из этих двух, иначе мы имели бы тройку учеников, среди которых не было бы друзей. Тогда у одного из выбранных двух учеников не менее 12 друзей. (23 "зайца" рассажены в двух "клетках".)

Пример 9. В единичный квадрат бросили 51 точку. Доказать, что какие-то три из них можно накрыть кругом радиуса 1/7.

Решение Разобьём данный квадрат на 25 одинаковых квадратиков ("клеток") со стороной 1/5. В один из них попадёт не менее трёх точек ("зайцев"). Окружность, описанная около квадратика со стороной 1/5, имеет радиус ¹/₅·[(Ц2)/ 2] = [1/( [Ц50])] < [1/( [Ц49])] = ¹/₇, поэтому этот квадратик можно накрыть кругом радиуса 1/7.

Принцип Дирихле в теории чисел

Следующую теорему часто используют в школьном курсе алгебры, но доказательство не рассматривают. Его очень просто получить с помощью принципа Дирихле.

ТЕОРЕМА 1. Пусть p, q - натуральные числа, p < q. Если обыкновенную дробь p/q обратить в десятичную, то получится либо конечная, либо бесконечная периодическая десятичная дробь, причём длина периода не превосходит q-1.

Доказательство Будем делить p на q "уголком" и следить за остатками. Если на каком-то шаге остаток будет нулевым, то получится конечная дробь. Если же все остатки будут отличны от нуля, то рациональное число p/q запишется в виде бесконечной десятичной дроби. Докажем, что она будет периодической. Каждый раз при нахождении очередной цифры частного будет получаться в остатке одно из чисел 1, 2, ..., q-1. Эти возможные значения остатков мы и будем считать "клетками", так что всего имеется q-1 "клеток". "Зайцами" же будут остатки, которые получаются в действительности при выполнении деления (См. рисунок). Рассмотрим первых q "зайцев". Так как их на 1 больше, чем число "клеток", то какие-то два "зайца" попадут в одну "клетку". Другими словами, не позже, чем через q - 1 шагов начнут повторяться остатки, а вслед за этим - и цифры в частном. Действительно, если на некотором шаге повторился остаток, то, приписав как обычно к нему 0, мы получим то же число, что было прежде, а, значит, снесём в частное ту же самую цифру, что и раньше; поэтому наши действия начнут повторяться. Таким образом, получится периодическая десятичная дробь с периодом длиной не более q - 1.

С давних пор математиков интересовал вопрос о существовании функций f(k), значениями которых при всех натуральных k являлись бы только простые числа. Известны функции, которые принимают подряд много простых значений. Например, Эйлер указал интересный многочлен x² - x + 41, который при всех целых x от -39 до 40 включительно принимает только простые значения (т.е. при x = 0, ±1, ±2, . . . , ±39, 40). Однако при x = 41 и x = 42 значения этого многочлена будут уже составными числами. В общем случае многочлен с целыми коэффициентами не может при всех натуральных значениях аргумента принимать только простые значения.

ТЕОРЕМА 2. Любой многочлен с целыми коэффициентами (отличный от константы) при некотором натуральном значении аргумента принимает значение, представляющее собой составное число.

Доказательство Пусть f(x) = a₀xⁿ + a₁x^{n - 1} +. . . +a_n, где все a_i - целые числа. Предположим, что при некотором k значение многочлена f(x) - простое число, т.е. f(k) = p, где p - простое. Многочлен степени n принимает одно и то же значение не более чем в n точках. (Действительно, если f(x) = y₀ более чем в n точках x₁, x₂, . . ., x_{n + 1}, то многочлен g(x) = f(x)-y₀ имеет корни x₁, x₂, . . ., x_{n + 1}, а, как известно, любой многочлен не может иметь более n действительных корней.) Покажем, что найдётся такое целое t, что f(k+pt) отлично от 0 и p. Нам поможет принцип Дирихле. Будем считать значени многочлена (в натуральных точках) "клетками", а натуральные числа вида k+pt "зайцами". Натуральное число N = k+pt будем помещать в "клетку", соответствующую значению многочлена f(N). Согласно высказанному выше утверждению, в "клетке" не может поместитьс больше n "зайцев". Так как "зайцев" много, то это значит, что f(k + pt) не может принимать только значени 0 и p при различных целых t, т.е. найдётся "заяц" k+pt, который не попадёт ни в "клетку" 0, ни в "клетку" p. Итак, при некотором t имеем: f(k + pt) № 0 и f(k + pt) № p. Разлагая f(k + pt) по степеням pt (используя бином Ньютона), получим

где все c_i - некоторые целые числа. Поскольку f(k) = p, из предыдущего равенства получаем, что f(k + pt) делится на p, причём f(k + pt) № 0 и f(k + pt) № p, так что f(k + pt) - составное число. Теорема доказана.

В доказательстве этой теоремы была применена несколько модифицированная форма принципа Дирихле. Далее мы расскажем о других его разновидностях, наиболее широко используемых в решениях аналитических и геометрических задач.

Следующая теорема, сформулированная П. Ферма, является одним из самых фундаментальных фактов в теории делимости целых чисел и находит широкое применение как в теоретических исследованиях, так и в арифметических приложениях.

МАЛАЯ ТЕОРЕМА ФЕРМА. Если p - простое число, a - целое число, не делящееся на p, то a^{p - 1} при делении на p даёт остаток 1, т. е.