MathLabs

第6問

整数の数列 a1,a2,…a_1,a_2,\dots が次の条件を満たすとする:(i) すべての j≥1j\ge1 に対して 1≤aj≤20151\le a_j\le 2015;(ii) すべての 1≤k<ℓ1\le k<\ell に対して k+ak≠ℓ+aℓk+a_k\ne \ell+a_\ell。n>m≥Nn>m\ge N を満たすすべての整数 mm, nn に対して ∣∑j=m+1n(aj−b)∣≤10072\left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right|\le 1007^2 となるような正の整数 bb と NN が存在することを証明せよ。
ステップ 4/6: 対象とする和を鎖ごとに分解する
ざっくり言うと

和の各項から bb を引くことは、鎖ごとに1つの「超過」項を加えることを正確に相殺する。

∑j=m+1n(aj−b)=∑chain c[(min⁡{x>n:x∈c}−n)−(min⁡{x>m:x∈c}−m)]\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=\sum_{\text{chain }c}\Big[\big(\min\{x>n:x\in c\}-n\big)-\big(\min\{x>m:x\in c\}-m\big)\Big]
詳しい解説

前段のテレスコーピング恒等式をすべての bb 個の鎖にわたって足し合わせ、∑j=m+1naj=∑j=m+1n(f(j)−j)\sum_{j=m+1}^n a_j=\sum_{j=m+1}^n\big(f(j)-j\big) と比較すると、∑j=m+1n(aj−b)\sum_{j=m+1}^n(a_j-b) はちょうど bb 個の鎖 cc にわたる (min⁡{x>n:x∈c}−n)−(min⁡{x>m:x∈c}−m)\big(\min\{x>n:x\in c\}-n\big)-\big(\min\{x>m:x\in c\}-m\big) の和に等しいことが分かる:各鎖は境界 nn での超過項を1つ、mm での超過項を1つ寄与し、鎖はちょうど bb 個あるので、n−mn-m 個の各指数に適用される −b-b の補正と一致する。