Дан отрезок, разбитый на n равных частей. Какое наибольшее количество целочисленных точек можно поместить внутрь отрезка с целыми координатами, если его длина нецелая? Обсудите зависимости от n и длины
Обозначим длину отрезка LLL и шаг разбиения d=Lnd=\dfrac{L}{n}d=nL. Внутренние точки разбиения имеют координаты xi=a+id,i=1,…,n−1,
x_i=a+i d,\qquad i=1,\dots,n-1, xi=a+id,i=1,…,n−1,
где aaa — координата левого конца. Требуется максимум числа индексов iii таких, что xi∈Zx_i\in\mathbb Zxi∈Z. 1) Если ddd иррационально, то дробные части {id} \{i d\}{id} для разных iii все различны, поэтому уравнение a+id∈Za+i d\in\mathbb Za+id∈Z имеет не более одного решения по iii. Следовательно максимум равен 111 (его можно достинуть подбором aaa, когда один из xix_ixi попадает на целое). 2) Если ddd рационально: d=pqd=\dfrac{p}{q}d=qp в несокр. виде (q≥2q\ge2q≥2), то значения id(mod1)i d\pmod1id(mod1) периодичны с периодом qqq, и среди индексов 1,…,n−11,\dots,n-11,…,n−1 решения для a+id∈Za+i d\in\mathbb Za+id∈Z встречаются через каждые qqq индексов. Максимально возможное число таких индексов равно ⌈n−1q⌉.
\Big\lceil\frac{n-1}{q}\Big\rceil. ⌈qn−1⌉.
(Для достижения этого достаточно сдвинуть aaa так, чтобы один из классов по модулю qqq давал целые точки.) Связь с LLL: если L=ABL=\dfrac{A}{B}L=BA несокр., то d=Ln=ABn,
d=\frac{L}{n}=\frac{A}{Bn}, d=nL=BnA,
и знаменатель qqq при сокращении равен q=Bngcd(A,Bn)q=\dfrac{Bn}{\gcd(A,Bn)}q=gcd(A,Bn)Bn. Итого максимум можно выразить через LLL и nnn через этот qqq. В любом случае верны тривиальные оценки 0≤M≤n−10\le M\le n-10≤M≤n−1; при иррациональном ddd — M≤1M\le1M≤1, при рациональном d=p/qd=p/qd=p/q — M≤⌈(n−1)/q⌉M\le\lceil(n-1)/q\rceilM≤⌈(n−1)/q⌉. Примеры: если d=1/2d=1/2d=1/2 (т.е. q=2q=2q=2), то максимум ⌈(n−1)/2⌉\lceil(n-1)/2\rceil⌈(n−1)/2⌉; если ddd иррационально — максимум 111.
xi=a+id,i=1,…,n−1, x_i=a+i d,\qquad i=1,\dots,n-1,
xi =a+id,i=1,…,n−1, где aaa — координата левого конца. Требуется максимум числа индексов iii таких, что xi∈Zx_i\in\mathbb Zxi ∈Z.
1) Если ddd иррационально, то дробные части {id} \{i d\}{id} для разных iii все различны, поэтому уравнение a+id∈Za+i d\in\mathbb Za+id∈Z имеет не более одного решения по iii. Следовательно максимум равен 111 (его можно достинуть подбором aaa, когда один из xix_ixi попадает на целое).
2) Если ddd рационально: d=pqd=\dfrac{p}{q}d=qp в несокр. виде (q≥2q\ge2q≥2), то значения id(mod1)i d\pmod1id(mod1) периодичны с периодом qqq, и среди индексов 1,…,n−11,\dots,n-11,…,n−1 решения для a+id∈Za+i d\in\mathbb Za+id∈Z встречаются через каждые qqq индексов. Максимально возможное число таких индексов равно
⌈n−1q⌉. \Big\lceil\frac{n-1}{q}\Big\rceil.
⌈qn−1 ⌉. (Для достижения этого достаточно сдвинуть aaa так, чтобы один из классов по модулю qqq давал целые точки.)
Связь с LLL: если L=ABL=\dfrac{A}{B}L=BA несокр., то
d=Ln=ABn, d=\frac{L}{n}=\frac{A}{Bn},
d=nL =BnA , и знаменатель qqq при сокращении равен q=Bngcd(A,Bn)q=\dfrac{Bn}{\gcd(A,Bn)}q=gcd(A,Bn)Bn . Итого максимум можно выразить через LLL и nnn через этот qqq.
В любом случае верны тривиальные оценки 0≤M≤n−10\le M\le n-10≤M≤n−1; при иррациональном ddd — M≤1M\le1M≤1, при рациональном d=p/qd=p/qd=p/q — M≤⌈(n−1)/q⌉M\le\lceil(n-1)/q\rceilM≤⌈(n−1)/q⌉. Примеры: если d=1/2d=1/2d=1/2 (т.е. q=2q=2q=2), то максимум ⌈(n−1)/2⌉\lceil(n-1)/2\rceil⌈(n−1)/2⌉; если ddd иррационально — максимум 111.