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第2题

对多项式 PP 与正整数 nn,定义 PnP_n 为满足 a<b≤na<b\le n 且 ∣P(a)∣−∣P(b)∣|P(a)|-|P(b)| 能被 nn 整除的正整数对 (a,b)(a,b) 的个数。求所有整系数多项式 PP,使得对一切正整数 nn 都有 Pn≤2021P_n\le2021。
第 6/6 步:精确计数解并匹配上界;c=-1 情形对称
sup⁡nPn=max⁡(−d−1,0) ≤2021  ⟺  d≥−2022\sup_n P_n = \max(-d-1,0)\ \le 2021 \iff d\ge-2022
详细分析

当 d≥0d\ge0 时,不存在满足 a+b=2m=−2da+b=2m=-2d 的对(因 m≤0m\le0),故对一切 nn 都有 Pn=0P_n=0。当 d=−m<0d=-m<0 时,满足 a<b≤na<b\le n、a+b=2ma+b=2m、a<m≤ba<m\le b 的对数恰为 min⁡(m−1, n−m)\min(m-1,\,n-m)(当其非负时),当 n≥2m−1n\ge2m-1 时该数等于 m−1m-1;故 sup⁡nPn=m−1\sup_nP_n=m-1。要求 m−1≤2021m-1\le2021 给出 m≤2022m\le2022,即 d≥−2022d\ge-2022,且此界也是充分的。将 PP 换成 −P-P 不改变任何 PnP_n(因 ∣−P∣=∣P∣|{-P}|=|P|),故族 P(x)=−x+dP(x)=-x+d 恰在 −d≥−2022-d\ge-2022,即 d≤2022d\le2022 时成立,分类完成。