MathLabs

第1問

各実数 r>2r>2 に対して、方程式 x2=r⌊x⌋x^2=r\lfloor x\rfloor を満たす正の実数 xx がちょうど2個または3個存在することを証明せよ。(ここで ⌊x⌋\lfloor x\rfloor は xx 以下の最大の整数を表す。)
ステップ 3/4: 解は少なくとも2個
k∈{⌊r⌋,⌊r⌋−1} ⇒ x=rk is a genuine solutionk\in\{\lfloor r\rfloor,\lfloor r\rfloor-1\}\ \Rightarrow\ x=\sqrt{rk}\ \text{is a genuine solution}
詳しい解説

逆に r−2<k≤rr-2<k\le r を満たす整数 kk を任意にとる;このような整数は常にちょうど2個あり、k=⌊r⌋k=\lfloor r\rfloor と k=⌊r⌋−1k=\lfloor r\rfloor-1 である(r>2r>2 よりどちらも正)。このような kk に対し、k≤rk\le r より rk≥k2rk\ge k^2、k>r−2k>r-2 より r<k+2r<k+2 となるので、rk<(k+2)k<(k+1)2rk<(k+2)k<(k+1)^2(k≥1k\ge1 より (k+2)k=k2+2k<k2+2k+1(k+2)k=k^2+2k<k^2+2k+1)が成り立つ。よって k2≤rk<(k+1)2k^2\le rk<(k+1)^2、すなわち k≤rk<k+1k\le\sqrt{rk}<k+1 となり、x=rkx=\sqrt{rk} は ⌊x⌋=k\lfloor x\rfloor=k を満たし x2=r⌊x⌋x^2=r\lfloor x\rfloor の真の解となる。