Phương pháp xây dựng cấu trúc điểm đạt Min Max trong Cực trị rời rạc

Phương pháp xây dựng cấu trúc điểm đạt Min Max trong Cực trị rời rạc
Chuyên đề tổng hợp phương pháp tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trên tập rời rạc thông qua việc dự đoán cấu trúc điểm đạt cực trị và chứng minh bằng nguyên lý quy nạp toán học. Tài liệu kèm theo các ví dụ minh họa đặc sắc trong các kỳ thi học sinh giỏi toán.

7. Cực trị trên tập rời rạc

7.1 Phương pháp xây dựng cấu trúc của điểm mà tại đó đạt Min, Max

Dự đoán Min, Max của biểu thức \(f(x)\) đạt tại \(x^*\) nào đó và chứng minh dự đoán đó.

Trong phương pháp này thường ta phải sử dụng các kiến thức của Số học, Tổ hợp và Toán rời rạc. Việc dự đoán thường được thực hiện bởi phép quy nạp dựa vào một số tính toán ban đầu.

7.2 Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1. Cho một \(n\)-giác lồi (\(n > 4\)), trong đó không có ba đường chéo nào đồng quy tại một điểm nằm trong đa giác. Gọi \(f(n)\) là số các đường chéo có thể kẻ được sao cho các phần mà chúng cắt ra khỏi đa giác đã cho đều là các tam giác.
Hãy xác định \(\operatorname{Max} f(n)\).

Lời giải. Gọi \(f(n)\) là số các đường chéo có thể kẻ được thoả mãn yêu cầu bài ra. Xét một số trường hợp ban đầu của \(n\). Bằng cách vẽ hình cụ thể ta được:

\(n =\)45678910
\(f(n) \le\)23568911

Từ đó ta có dự đoán:

\[ f(n) \le \left[\frac{3n}{2}\right] - 4 \quad (*) \]

Trong đó ta ký hiệu \([x]\) là số nguyên lớn nhất không vượt quá \(x\). Để chứng minh \((*)\) trước hết ta chứng minh bổ đề sau:

Bổ đề: Nếu tập \(S\) các đường chéo của một \(n\)-giác lồi (\(n \ge 5\)) chia \(n\)-giác đó thành các tam giác thì có ít nhất một đường chéo \(\in S\) không cắt tất cả các đường chéo khác \(\in S\) tại điểm trong của \(n\)-giác đã cho.

Chứng minh: Xét các hình vẽ cấu trúc.

Từ các hình vẽ trên ta có các nhận xét hiển nhiên sau:

1) Không có đường chéo nào \(\in S\) cắt \(\ge 2\) đường chéo \(\in S\) khác (xem Hình 1). Do hai góc \(\alpha; \beta\) có \(\alpha + \beta \ge 180^\circ\).

2) Giả sử mọi đường chéo \(\in S\) đều cắt đúng một đường chéo \(\in S\). Xét hai đường chéo \(\in S\) là \(AC; BD\) cắt nhau tại \(O\) (xem Hình 2). Do \(n \ge 5\) nên có ít nhất một cạnh của tứ giác \(ABCD\) là đường chéo của \(n\)-giác đã cho. Giả sử đó là cạnh \(AB\). Ta có \(AB \in S\) vì nếu không thì phần \(n\)-giác với biên chứa đường gấp khúc \(AOB\) sẽ không là tam giác nên sẽ có một đường chéo \(\in S\) cắt \(AB\), khi đó đường chéo đó còn cắt hoặc \(AC\), hoặc \(BD\). Điều đó trái với nhận xét 1) (Có một đường chéo \(\in S\) cắt hai đường chéo \(\in S\)).

Từ hai nhận xét trên suy ra kết luận của bổ đề.

Trở lại bài toán đang xét. Hiển nhiên, \((*)\) đã đúng với \(n = 4; 5; 6\). Giả sử \((*)\) đúng với mọi \(k, 5 \le k < n, n \ge 6\). Theo bổ đề, tồn tại một đường chéo \(\in S\) không cắt các đường chéo khác \(\in S\) và chia \(n\)-giác đã cho thành hai phần rời nhau. Giả sử đường chéo đó là \(A_1A_q\) (xem Hình 3) và nó chia \(n\)-giác đã cho thành \(p\)-giác và \(q\)-giác (với \(3 \le p, q < n; p + q = n + 2\)).

Khi đó, số \(f(n)\) các đường chéo kẻ được thoả mãn yêu cầu bài ra là:

\[ f(n) = 1 + f(p) + f(q) \]

Theo giả thiết quy nạp ta có:

\[ 1 + f(p) + f(q) \le 1 + \left[\frac{3p}{2}\right] - 4 + \left[\frac{3q}{2}\right] - 4 \]\[ = \left[\frac{3p}{2}\right] + \left[\frac{3q}{2}\right] - 7 \]\[ \le \left[\frac{3(p+q)}{2}\right] - 7 \]\[ = \left[\frac{3n}{2} + 3\right] - 7 = \left[\frac{3n}{2}\right] - 4 \]\[ \Rightarrow f(n) \le \left[\frac{3n}{2}\right] - 4. \]

Vậy \((*)\) cũng đúng với \(n\).

Do đó, theo nguyên lý quy nạp, \((*)\) đúng với mọi \(n \in \mathbb{N}; n \ge 4\). Vậy số lớn nhất các đường chéo kẻ được thoả mãn yêu cầu bài ra là \(\left[\frac{3n}{2}\right] - 4\).

Ví dụ 2. (VMO 2003) Tìm số \(n \in \mathbb{N}\) lớn nhất sao cho hệ phương trình sau có nghiệm nguyên:\[ (x+1)^2 + y_1^2 = (x+2)^2 + y_2^2 = (x+3)^2 + y_3^2 = \dots = (x+n)^2 + y_n^2 \quad (1) \]

Xem và tải file PDF đầy đủ


[Tải về file PDF]

Biểu mẫu liên hệ

Tên

Email *

Thông báo *