Дана пара взаимно-простых многочленов с действительными коэффициентами P(x) и Q(x) степеней 2021 и 2000 соответственно (взаимно-простые означает, что не существует многочлена R(x), не равного константе, на который делятся P(x) и Q(x)). Гриша выбирает конечное множество действительных чисел c1, ..., cn (помните, в множестве элементы не повторяются, размер множества Гриша тоже выбирает сам), находит число различных кратных действительных корней у многочлена P(x) + ciQ(x) (при i от 1 до n) и складывает полученные числа. Какую наибольшую сумму Гриша может получить в результате этого процесса?
Решение. Лемма. В гришиной сумме могут быть учтены те и только те числа α, в которых производная функции обращается в ноль, причем каждое такое α может быть посчитано максимум для одно ci.
Доказательство. Как известно, число α является кратным корнем многочлена T(x) если и только если α является корнем многочлена T(x) и его производной Пусть α — кратный корень имеем левую из систем:
Первая равносильность заслуживает пояснений: из уравнения (*) если что и то невозможно поскольку многочлены взаимно-просты. Если же то деление на него является равносильным переходом, а с однозначно находится из (*). Второй переход — просто поделили на Q(x).
Осталось заметить, что
это в точности производная
Итак, мы получили что все числа, посчитанные в гришиной сумме, это корни многочлена
который имеет не более чем 4020 степень (при взятии производной степень многочлена уменьшается на единицу, при перемножении многочленов - складывается, при вычитании не увеличивается), покажем что T(x) не может быть тождественно нулем (на самом деле покажем, что степень ровно 4020). Пусть p2021 и q2000 — старшие (а значит ненулевые) коэффициенты многочленов и Q(x) соответственно. Тогда коэффициент при есть
Таким образом, мы доказали оценку сверху: сумма не может быть больше 4020.
Осталось построить пример, когда сумма равна 4020. Возьмем P(x) и Q(x) такими, что все их корни вещественны, различны и все корни P(x), лежат левее всех корней Q(x). Тогда есть 2020 отрезков между соседними корнями P(x), на каждом из этих отрезков функция непрерывна (все корни знаменателя правее), равна нулю в концах отрезка и не равна нулю в остальных точках, значит, в какой-то точке производная принимает нулевое значение по теореме Ролля — нашли 2020 нулей производной. Теперь посмотрим на интервалы между соседними корнями Q(x), и также на открытый луч от самого правого из них до плюс бесконечности. На каждом интервале функция непрерывна, не меняет знак (поскольку не принимает нулевого значения — все корни числителя лежат левее), в концах интервалов f(x) стремиться к бесконечности (поскольку это корни числителя), при аналогично f(x) стремится к бесконечности, поскольку степень числителя больше степени знаменателя. Значит, на каждом из промежутков модуль достигает минимума во внутренней точке, там производная обращается в ноль (альтернативно можно воспользоваться теоремой Ролля для функции — нашли еще 2000 нулей производной.
Ответ: 4020.
Критерии проверки:A. Чистое доказательство оценки — 14 баллов.
А0. Оценка без доказательства 0 баллов.
А7. При доказательстве не упомянуто, что один и тот же корень производной не может быть посчитан при разных значениях ci: –2 балла к итоговой сумме. Если это хотя бы упомянуто (очевидно что...) — нет претензий.
A8. Hе paccматривает случай обращения в ноль знаменателя: −2 балла к итоговой сумме.
А9. Не доказано, что многочлен не может быть тождественно нулем: −4 балла к итоговой сумме.
Критерии A7, А8 и А9 не могут давать более чем −4 балла в сумме — то есть даже допущены все три ошибки, доказательство оценки стоит 10 баллов (14–4) а не
B. Чистое построение примера вместе с доказательством существования всех корней: 14 баллов.
В1. Пример верный, но доказано существование только 4019 корней: 4 балла.
Ответ: 4020.