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初中数学竞赛 · 代数变形与守恒量

黑板上的分式游戏:寻找不变量

简介:面对不断变化的数字组合,如何透过现象看本质?一起挑战经典的全国初中数学竞赛题,学习利用代数恒等变形寻找“不变量”,从而巧妙破解看似繁杂的运算难题。

1. 挑战:黑板上的数字游戏

这是一道经典的全国初中数学竞赛题:黑板上写有 \( 1, \frac{1}{2}, \dots, \frac{1}{100} \) 共100个数字。每次操作先从黑板上的数中选取两个数 \( a, b \),然后删去 \( a, b \),并在黑板上写上数 \( a+b+ab \)。则经过99次操作后黑板上剩下的数是多少?

2. 寻找破局的关键:不变量

如果硬算的话,每次选取的数字不同,得到的结果似乎也会千变万化。但数学的奇妙之处在于,某些特定的运算规则下隐藏着不会随操作改变的“守恒量”。

我们来观察一下这个规则:将 \( a \) 和 \( b \) 替换为 \( a+b+ab \)。

在代数中,有一个非常熟悉的因式分解公式可以与它建立联系:

\[ a+b+ab+1 = (a+1)(b+1) \]

这个等式告诉我们,每次操作前和操作后,黑板上的每个数加1后的乘积保持不变

这意味着,无论我们怎么选、怎么算,只要把黑板上的所有数字都加上 \( 1 \) 然后乘起来,这个总乘积永远是一个常数!

3. 见证奇迹的连乘消除

既然乘积守恒,我们只需要计算最开始的乘积,它就等于最后剩下的数字对应的乘积。

设经过99次操作后黑板上剩下的数为 \( x \)(99次操作后,刚好删掉所有数并留下最后一个),利用我们的“不变量”定律:

\[ x+1 = (1+1)\left(\frac{1}{2}+1\right)\left(\frac{1}{3}+1\right)\cdots\left(\frac{1}{100}+1\right) \]

将右边每个括号里的式子进行通分计算:

\[ x+1 = \frac{2}{1} \times \frac{3}{2} \times \frac{4}{3} \times \cdots \times \frac{101}{100} \]

经过美妙的“首尾相消”,中间的分子分母全部约掉,右边只剩下 \( 101 \)。即:

\[ x+1 = 101 \]

解得 \( x=100 \)。

最终结论:正确答案为选项 C