而秦风,在写完第一种巧妙解法后,并没有停歇。他舔了舔有些发干的嘴唇,眼神中的光芒更盛了。
“还不够……这种程度的‘变形’,还不足以展现这道题的全部魅力。”
他的目光,投向了更深邃的数学领域。
第二种巧妙解法:引入抽象代数——幺半群与理想的视角
秦风的笔尖再次在草稿纸上舞动起来,这一次,他写下的符号,开始变得更加抽象和……诡异。
他将集合SSS视为自然数加法半群(N+,+)(\\athbb{N}^+,+)(N+,+)的一个子半群。
“如果我们将0也加入考虑,并定义S0=Su{0}S_0=S\\cup\\{0\\}S0=Su{0}(如果$$0otS),或者直接考虑),或者直接考虑),或者直接考虑S在自然数加法幺半群在自然数加法幺半群在自然数加法幺半群(\\athbb{N}_0,+$$中的性质。”秦风在草稿纸上写道。
“条件1保证了SSS(或S0S_0S0)在加法运算下的封闭性。条件2则给出了这个子半群的一个‘下界’。”
“现在,考虑在整数环Z\\athbb{Z}Z中,由集合SSS生成的理想I(S)={∑i=1cisiisi∈S,ci∈Z}I(S)=\\{\\su_{i=1}^c_is_i|s_i\\S,c_i\\\\athbb{Z}\\}I(S)={∑i=1cisiisi∈S,ci∈Z}。”
“由于Z\\athbb{Z}Z是主理想整环,所以I(S)I(S)I(S)必然可以由一个元素生成,即I(S)=(d0)I(S)=(d_0)I(S)=(d0),其中d0=gcd?(S)d_0=\\gcd(S)d0=gcd(S)。”
“这说明,SSS中所有元素的最大公约数d0d_0d0,可以表示为SSS中元素的整数线性组合。”
“接下来,我们需要将这个结论与SSS本身的加法封闭性以及正整数下界联系起来。”
秦风的思路开始转向一个在大学代数学中才会详细讨论的概念——数值半群(NuricalSeigroup)。一个数值半群是由一组正整数在加法下生成的,且其最大公约数为1的半群。着名的Frobeniproble就是研究这类半群的一个经典问题。
“如果gcd?(S)=d\\gcd(S)=dgcd(S)=d,那么我们可以考虑集合S\/d={s\/dis∈S}S\/d=\\{s\/d|s\\S\\}S\/d={s\/dis∈S}。这个新的集合,其元素的最大公约数为1,并且仍然满足加法封闭性。根据数值半群的理论,一个最大公约数为1的加法封闭正整数集合,必然会包含从某个足够大的整数(称为Frobeni数)之后的所有整数。”
“结合条件2,SSS中的元素都有下界kkk,这意味着S\/dS\/dS\/d中的元素也有下界k\/dk\/dk\/d。那么,S\/dS\/dS\/d必然是形如{0,0+1,0+2,…?}\\{_0,_0+1,_0+2,\\dots\\}{0,0+1,0+2,…}的形式,或者是一个有限集合(但这与加法封闭性以及包含所有足够大整数的性质似乎有矛盾,除非S本身就是某个数的倍数集)。”
秦风的笔尖飞快地在纸上跳跃,一行行抽象的符号和逻辑推演,看得旁边偶尔瞥见的考生头皮发麻,感觉自己仿佛在看一本来自外星球的数学天书。
“幺半群?理想?Frobeni数?这……这都是什么鬼东西?!”
“我确定我参加的是高中数学竞赛,不是大学数学系的博士资格考试吗?”
“妈妈,我想退赛!这个秦风根本就不是跟我们在一个次元比赛啊!”
考场前排,那两位一直密切关注着秦风的监考老师,此刻已经彻底石化了。
“老……老张……你……你看得懂他在写什么吗?”戴金丝眼镜的中年监考老师,声音都有些发颤,他指着秦风草稿纸上那些他只在大学选修抽象代数时才见过的符号,感觉自己的认知受到了毁灭性的冲击。
经验丰富的老监考员张老师,此刻也是一脸的呆滞,他使劲揉了揉自己