笔记
数学
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所有十进制数位中不含2的正整数的倒数和
$x\ge1$,首先证明个简单的引理:
\[\frac1x>\frac9{10}(\sum_{i=0}^9\frac1{10x+i}-\frac1{10x+2})\]不妨设
\[f(x)=\frac1x((\sum\limits_{i=0}^9\frac1{10x+i})-\frac1{10x+2})\\ f(x)=\frac{4536 + 211284 x + 2812995 x^2 + 17430700 x^3 + 59386250 x^4 + 118230000 x^5 + 137200000 x^6 + 86000000 x^7 + 22500000 x^8}{45360 + 1056420 x + 9376650 x^2 + 43576750 x^3 + 118772500 x^4 + 197050000 x^5 + 196000000 x^6 + 107500000 x^7 + 25000000 x^8}\\\]上下最高次数都是 $8$,并且都是 $\frac\infty\infty$ 的形式,所以洛必达上下各求 $8$ 次导。另外 $1$ 次导为正,可以判断单调递增。
\[\lim_{x\to\infty}f(x)=\frac{907200000000}{1008000000000}=\frac9{10}\]还有个更简单的证明方式:
\[\frac1x>\frac9{10x}>\frac9{10}(\sum_{i=0}^9\frac1{10x+i}-\frac1{10x+2})\]当 $x$ 为一位数时,$10x+0,10x+1,10x+3,\cdots,10x+9$ 正好包含了所有 $1$ 开头不含 $2$ 的二位数,并且它们的倒数和小于 $\frac1x$ 的 $\frac9{10}$。
再对 $10x+0,10x+1,10x+3,\cdots,10x+9$ 进行扩展,正好包含了所有 $1$ 开头不含 $2$ 的三位数,并且它们的倒数和小于 $\frac1x$ 的 $(\frac9{10})^2$。
所以对于所有一位数 $x$,以其为前缀的 $i$ 位数倒数和小于 $(\frac9{10})^{i-1}$。
那么所有不含 $2$ 的正整数的倒数和,就可以分类为 $d(d=1,3,4,\ldots,9)$ 开头的不含 $2$ 的正整数的倒数和,并且 $i$ 位的倒数和小于 $i-1$ 位的 $\frac9{10}$。
所以
\[\begin{aligned} S&<(\sum_{i=1}^9-\frac12)+(\sum_{i=1}^9-\frac12)\frac9{10}+(\sum_{i=1}^9-\frac12)(\frac9{10})^2+\ldots\\ &=(\sum_{i=1}^9-\frac12)(1+\frac9{10}+(\frac9{10})^2+\ldots)\\ &=\frac{5869}{2520}\times\frac1{1-\frac9{10}}\\ &=\frac{5869}{252}\\ &\lesssim23.2897 \end{aligned}\]这样就得到了一个比较松的上界。
把 $[100000,999999]$ 开头的算出来,再加上 $[1,99999]$ 符合条件的,可以再紧一些,不到 $19.2574$。
Sum[If[StringContainsQ[ToString[i],"2"],0,1/i],{i,1,99999}]+Sum[If[StringContainsQ[ToString[i],"2"],0,1/i],{i,100000,999999}]*1/(1-9/10)//N