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把正整数 nn 分解成几个正整数的和,是它们的乘积最大。

以下纯口胡,如果有问题求在下面留言。

根据均值不等式(证明在最下面):

∏i=1nxi≤(∑i=1nxin)n\prod_{i=1}^n x_i\le \left(\frac{\sum_{i=1}^nx_i}{n}\right)^n

先不考虑整数的限制,我们应将一个数均匀地分成 kk 份,每个数为xx,那么有:

n=kxn=kx

另乘积为yy,有:

y=xk=xnx=(x1x)ny=x^k=x^{\frac{n}{x}}=(x^{\frac{1}{x}})^n

于是问题就变成了求 y=x1x​y=x^{\frac{1}{x}}​ 在x>0​x>0​上的极值。

两边同取对数:

ln⁡y=1xln⁡x\ln y = \frac{1}{x}\ln x

两边同时关于 xx 求导:

y′y=−1x2ln⁡x+1x2=1−ln⁡xx2\frac{y'}{y}=-\frac{1}{x^2}\ln x+\frac{1}{x^2}=\frac{1-\ln x}{x^2}

右边应该没问题,那左边为什么不是 1y​\frac{1}{y}​ 呢?

因为 yy 是个因变量,其导数不一定就是 11,即xx 增加 dx\mathrm{d}x,yy 不一定增加dx\mathrm{d}x。

但我们有:

f[g(x)]=f′(x)g′(x)f[g(x)]=f'(x)g'(x)

于是:

y′=1−ln⁡xx2y=1−ln⁡xx2x1xy'=\frac{1-\ln x}{x^2}y=\frac{1-\ln x}{x^2}x^{\frac{1}{x}}

当 y′=0y'=0 时:

1−ln⁡xx2x1x=0\frac{1-\ln x}{x^2}x^{\frac{1}{x}}=0

由于x>0x>0:

1−ln⁡x=01-\ln x=0

即:

x=ex=e

但 ee 不是整数,由于⌊e⌋=2,⌈e⌉=3\lfloor e\rfloor=2,\lceil e\rceil=3,且

212≈1.4142135623730950488016887242097313≈1.44224957030740838232163831078012^{\frac{1}{2}}\approx1.4142135623730950488016887242097\\ 3^{\frac{1}{3}}\approx1.4422495703074083823216383107801

所以

212<3132^{\frac{1}{2}}<3^{\frac{1}{3}}

因此应该尽量取33,多出来的取22。

下面给出均值不等式的一种证法:

有一种叫“反向归纳法”的东西,它是从 nn 到n−1n-1来证明命题。

我们令原命题为P(n)​P(n)​。

首先,n=2​n=2​时显然为真:

ab≤a+b2\sqrt{ab}\le \frac{a+b}{2}

然后证明 P(n)P(n) 和P(2)P(2)蕴涵着P(2n)P(2n):

因为:

∏i=1nxi≤(∑i=1nxin)n∏i=n+12nxi≤(∑i=n+12nxin)n\prod_{i=1}^n x_i\le \left(\frac{\sum_{i=1}^nx_i}{n}\right)^n\\ \prod_{i=n+1}^{2n} x_i\le \left(\frac{\sum_{i=n+1}^{2n}x_i}{n}\right)^n

两式相乘:

∏i=12nxi≤(∑i=1nxin)n×(∑i=n+12nxin)n≤(∑i=12nxi2n)2n\prod_{i=1}^{2n} x_i\le \left(\frac{\sum_{i=1}^{n}x_i}{n}\right)^n\times\left(\frac{\sum_{i=n+1}^{2n}x_i}{n}\right)^n\le \left(\frac{\sum_{i=1}^{2n}x_i}{2n}\right)^{2n}

最后证明 P(n)P(n) 蕴涵着P(n−1)P(n-1):

令 xn=∑i=1n−1xin−1​x_n=\frac{\sum_{i=1}^{n-1}x_i}{n-1}​ 即xn​x_n​为前 n−1​n-1​ 项的平均值,我们发现这 n​n​ 项的平均值为前 n−1​n-1​ 项的平均值,即:

∏i=1n−1xi×∑i=1n−1xin−1≤(∑i=1n−1xin−1)n\prod_{i=1}^{n-1} x_i\times\frac{\sum_{i=1}^{n-1}x_i}{n-1}\le \left(\frac{\sum_{i=1}^{n-1}x_i}{n-1}\right)^n

两边同除∑i=1n−1xin−1\frac{\sum_{i=1}^{n-1}x_i}{n-1}:

∏i=1n−1xi≤(∑i=1n−1xin−1)n−1\prod_{i=1}^{n-1} x_i \le \left(\frac{\sum_{i=1}^{n-1}x_i}{n-1}\right)^{n-1}

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