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?
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:
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!
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:
将右边每个括号里的式子进行通分计算:
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:
解得 \( x=100 \)。