Tìm số nguyên dương nhỏ nhất sao cho tồn tại 2026 số nguyên không âm liên tiếp mà tổng tất cả các chữ số của chúng bằng .
Tìm số nguyên dương nhỏ nhất sao cho tồn tại 2026 số nguyên không âm liên tiếp mà tổng tất cả các chữ số của chúng bằng .
Đáp án chính thức: Tự luận
Hướng dẫn giải chi tiết
Đầu tiên ta có bổ đề sau:
Bổ đề: Với mọi số nguyên không âm và mọi số nguyên dương , ta có
Chứng minh bổ đề: Với mỗi số nguyên không âm , gọi là chữ số của tại hàng . Khi đó
Ta sẽ chứng minh rằng tại mỗi hàng thập phân, tổng các chữ số của đoạn không nhỏ hơn tổng tương ứng của đoạn . Cố định , đặt và . Dãy các chữ số tại hàng là một dãy tuần hoàn có chu kì . Trong một chu kì, dãy này có dạng
Kí hiệu một chu kì trên bởi . Ta có và tổng của một chu kì là
Viết , trong đó và . Do dãy đang xét có chu kì , bất kì số hàng liên tiếp nào cũng gồm đúng chu kì đầy đủ, nên có tổng bằng . Vì vậy, khi xét một đoạn gồm số hàng liên tiếp, ta chỉ cần so sánh tổng của số hàng còn lại.
Nếu thì tổng tại hàng của mọi đoạn gồm số hàng liên tiếp đều bằng , nên khẳng định hiển nhiên đúng. Xét . Gọi là vị trí bắt đầu của số hàng còn lại trong chu kì, với .
Nếu , đoạn này không đi qua chỗ chuyển từ 9 về 0 và gồm
Do dãy không giảm, với mọi ta có . Bởi vậy
Nếu , đoạn này đi qua chỗ chuyển từ 9 về 0 và gồm
Đặt . Phần bù của đoạn trên trong cả chu kì là
gồm đúng số hàng. Do nên . Dễ thấy với mọi ta có . Suy ra
Lấy tổng cả chu kì trừ hai vế, ta được
Như vậy, trong cả hai trường hợp, tổng của số hàng liên tiếp bất kì trong chu kì đều không nhỏ hơn tổng của số hàng đầu tiên. Do đó
Bất đẳng thức này đúng với mọi . Chọn đủ lớn để . Khi đó tất cả các chữ số ở những hàng cao hơn đều bằng 0. Vì vậy bổ đề được chứng minh do
Áp dụng bổ đề với , tổng chữ số của bất kì 2026 số nguyên không âm liên tiếp nào cũng không nhỏ hơn , vì thế ta suy ra được nên , và dấu bằng khi lấy 2026 số tự nhiên đầu tiên.
Bổ đề: Với mọi số nguyên không âm và mọi số nguyên dương , ta có
Chứng minh bổ đề: Với mỗi số nguyên không âm , gọi là chữ số của tại hàng . Khi đó
Ta sẽ chứng minh rằng tại mỗi hàng thập phân, tổng các chữ số của đoạn không nhỏ hơn tổng tương ứng của đoạn . Cố định , đặt và . Dãy các chữ số tại hàng là một dãy tuần hoàn có chu kì . Trong một chu kì, dãy này có dạng
Kí hiệu một chu kì trên bởi . Ta có và tổng của một chu kì là
Viết , trong đó và . Do dãy đang xét có chu kì , bất kì số hàng liên tiếp nào cũng gồm đúng chu kì đầy đủ, nên có tổng bằng . Vì vậy, khi xét một đoạn gồm số hàng liên tiếp, ta chỉ cần so sánh tổng của số hàng còn lại.
Nếu thì tổng tại hàng của mọi đoạn gồm số hàng liên tiếp đều bằng , nên khẳng định hiển nhiên đúng. Xét . Gọi là vị trí bắt đầu của số hàng còn lại trong chu kì, với .
Nếu , đoạn này không đi qua chỗ chuyển từ 9 về 0 và gồm
Do dãy không giảm, với mọi ta có . Bởi vậy
Nếu , đoạn này đi qua chỗ chuyển từ 9 về 0 và gồm
Đặt . Phần bù của đoạn trên trong cả chu kì là
gồm đúng số hàng. Do nên . Dễ thấy với mọi ta có . Suy ra
Lấy tổng cả chu kì trừ hai vế, ta được
Như vậy, trong cả hai trường hợp, tổng của số hàng liên tiếp bất kì trong chu kì đều không nhỏ hơn tổng của số hàng đầu tiên. Do đó
Bất đẳng thức này đúng với mọi . Chọn đủ lớn để . Khi đó tất cả các chữ số ở những hàng cao hơn đều bằng 0. Vì vậy bổ đề được chứng minh do
Áp dụng bổ đề với , tổng chữ số của bất kì 2026 số nguyên không âm liên tiếp nào cũng không nhỏ hơn , vì thế ta suy ra được nên , và dấu bằng khi lấy 2026 số tự nhiên đầu tiên.