Maths Olympiad Prep

Library / /24 of 46

Number theory Difficulty 6.2 National olympiad Prove it Russia

A function
f(x)=cosxcosx2cosx3cosx2009 f(x) = \cos x \cdot \cos \frac{x}{2} \cdot \cos \frac{x}{3} \cdots \cos \frac{x}{2009}
is defined on the segment [0,2009π2][0, \frac{2009\pi}{2}]. Find the number of points at which this function changes its sign. (B. Trushin)

Solution

Ответ. 75 раз.
Обозначим n=2009n = 2009. Рассмотрим функцию cosxk\cos \frac{x}{k}. Она меняет знак при
x=k(πm+π2)=k(2m+1)π2, x = k \left( \pi m + \frac{\pi}{2} \right) = \frac{k(2m + 1)\pi}{2},
где mm — произвольное целое число. Значит, нулями функции f(x)f(x) могут являться только точки xi=πi2x_i = \frac{\pi i}{2}, где 1in1 \le i \le n. Тогда менять знак она может лишь в точках xix_i при i=1,2,...,n1i = 1, 2, ..., n-1.
Функция cosxk\cos \frac{x}{k} меняет знак в точке xix_i, если i=k(2m+1)i = k(2m+1) при целом mm. Значит, количество косинусов, которые меняют знак в точке xix_i, совпадает с количеством нечетных делителей числа ii. Поэтому функция f(x)f(x) будет менять знак в тех и только тех
точках xix_i, для которых у числа ii нечетное количество нечетных делителей. Представим i=2ji = 2^\ell j, где \ell целое, а jj нечетно. Тогда количество нечетных делителей у чисел ii и jj совпадает. Но у нечетного числа jj количество делителей нечетно тогда и только тогда, когда jj — это точный квадрат (действительно, если jj — не квадрат, то все его делители разбиваются на пары aa и ia\frac{i}{a}; если же j=s2j = s^2, то число ss — единственное оставшееся без пары).
В итоге получаем, что функция f(x)f(x) меняет знак в точке xix_i, если число ii — либо квадрат, либо удвоенный квадрат (в зависимости от четности числа \ell). Но среди чисел от 1 до (n1)(n-1) есть [n1][\sqrt{n-1}] квадратов, и [n12][\sqrt{\frac{n-1}{2}}] удвоенных квадратов. Значит, искомое количество равно [n1]+[n12]=44+31=75[\sqrt{n-1}] + [\sqrt{\frac{n-1}{2}}] = 44+31 = 75.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.