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Moyenne de somme entière

Posté par
Imod
23-11-23 à 11:25

Bonjour à tous

Un petit problème amusant .

On note S(n) la somme des chiffres d'un entier n non nul et M(n) la valeur moyenne des n premiers S(n) .

Par exemple :

S(20)=2+0=2
M(20)=1+2+3+4+5+6+7+8+9+1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+2)/20= 5,1 .

Question : Les entiers naturels non nuls sont-ils tous des M(n) ?

Comme toujours on s'amuse et on ne blank que si nécessaire

Imod

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:42

salut  Imod , que veut dire sont ils tous des M(n) ??  
de ce que je comprend   M(n)=(1/n) S(k) , k compris entre 1 et n

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:48

Bonjour Flight

Tu as compris la définition de M(n) , la question est : pour l'entier 50 ( par exemple ) , existe-t-il un entier n tel que M(n)=50 ?

Imod

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:49

Ah ok   je vois merci

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:52

pour n =20 on voit bien que  M(20)20
j'aurai plutot posé comme question "peut on trouver des n tel que M(n)= n "

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:53

euhh non finalement c'est pas ca  ....désolé  :D

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:54

le but est de remonter à n connaissant la valeur de M(n)  ...

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:56

Relis bien la question il y a deux entiers différents , on ne demande pas que M(20) soit égal à 20 mais qu'il existe un entier n tel que M(n)=20 .

Imod

Posté par
sanantonio312
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 11:57

Bonjour à tous,
La question n'est-elle pas plutôt:
Quelque-soit n, existe-t-il k tel que M(k)=n?

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 12:02

C'est exactement la question , merci

Après il faut la résoudre

Imod

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 12:18

donc pour eclaircir les choses ca revient à trouver k tel que
(1/k) S(j) = n   , avec j compris entre 1 et k

Posté par
carpediem
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 13:16

salut

déjà pour tous les chiffres on a : M(k) = \dfrac 1 2 k(k + 1) qui est un entier

et je subodore que les nombres triangulaires T(n) apparaissent très fortement dans les résultats

soit m = \bar {du}^{10} = 10d + u

alors M(m) = \sum_0^{d - 1}T(9) + \sum_0^d k + \sum_0^u k = \dfrac d 2 9(9 + 1) + \dfrac 1 2 d(d + 1) + \dfrac 1 2 u(u + 1) = 45d + \dfrac 1 2 [d(d + 1) + u(u + 1)]

M(m) = n \iff 90d + d(d + 1) + u(u + 1) = 2n \iff 4d^2 + 364 d + 4u^2 + 4u = 8n \iff (2d + 91)^2 + (2u + 1)^2 = 8n + 91^2 + 1^2

on cherche donc les points à coordonnées entières du cercle de centre O(45,5 ; 0,5) et d rayon \sqrt {2n + 0,25 + 45,5^2}  

Posté par
carpediem
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 13:29

damned il faut encore diviser par m !!!


alors {\red m}M(m) = \sum_0^{d - 1}T(9) + \sum_0^d k + \sum_0^u k = \dfrac d 2 9(9 + 1) + \dfrac 1 2 d(d + 1) + \dfrac 1 2 u(u + 1) = 45d + \dfrac 1 2 [d(d + 1) + u(u + 1)]

M(m) = n \iff 90d + d(d + 1) + u(u + 1) = 2mn = 2(10d + u)n \iff d^2 + (90 - 20n)d + u^2 + (1 - 2n)u = 0

Posté par
sanantonio312
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 16:00

@carpediem,
Il me semble que ta définition de M(k) n'est correcte que pour k<10
M(10)=1+2+...+8+9+1 et pas 1+2+...+8+9+10

Posté par
dpi
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 16:10

Bonjour,

Si j'ai bien compris...le contraire ne m'étonnerait pas....

 Cliquez pour afficher
                  

Posté par
sanantonio312
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 16:21

Voici un tableau de n, M(n) pour lesquels M(n) est entier, n<1001.
Si j'ai bon, on peut penser que la réponse à la question posée est oui.
Mais je vais aller plus loin...

1 1
3 2
5 3
7 4
9 5
18 5
21 5
24 5
38 6
58 7
78 8
98 9
298 10
498 11
501 11
537 11
698 12
702 12
707 12
711 12
716 12
898 13

Posté par
sanantonio312
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 17:03

Curiosité:
Je vois passer M(n) à M(n)+1 pour les valeurs suivantes de n:
3, 5, 7, 9,
38, 58, 78, 98,
298, 498, 698, 898,
1998, 3998, 5998, 7998, 9998
29998, 49997....
jusqu'à M(999998)=27
Il est permis de penser que ça va continuer
YAPUKA le démontrer

Posté par
sanantonio312
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 17:05

Et je découvre que dpi a encore été plus rapide

Posté par
carpediem
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 17:16

pour unifier les notations :

s(n) = somme des chiffes de n

t(n) =\sum_0^n s(k)

M(n) = \dfrac {t(n)} n est la moyenne demandée

T(n) = \dfrac 1 2 n(n + 1) est le n-ième nombre triangulaire  et  en particulier T(9) = \sum_0^9 k = \dfrac 1 2  9 \times 10 = 45

sanantonio312 prenons m = 23 = 2 * 10 + 3 donc d = 2 et u = 3

alors t(11) = \sum_{k = 0}^{k = d = 2} T(9) + \sum_{k = 0}^{k = d = 2} k + \sum_{k = 0}^{k = u = 3}k = 2T(9) + T(2) + T(3) = 90 + 0 + 1 + 2 + 0 + 1 + 2 + 3

je compte de 0 à 9 entre 0 et 9 puis entre 10 et 19 donc 2 fois = d = 2

puis je compte les dizaines donc de 0 à 2 = 0 + 1 + 2

puis je compte les unités "restantes" de 20 à 23 donc de 0 à 3 = 0 + 1 + 2 + 3

effectivement je "mets" trompé dans le décompte de T(9)


j'espère que notre renard futé (littlefox) viendra nous pondre un script python de derrière les fagots dont il a le secret
mais qu'il nous en donnera aussi une version plus "naïve" donc compréhensible par le pékin moyen que je suis

Posté par
dpi
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 17:18

>salut sanantonio312
je n'ai gardé que le filon 98 *mais il y a de doublons et autres...

*On doit pouvoir en tirer une loi mais je subodore que 100 par exemple doit être très grand.

Posté par
jandri Correcteur
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 18:08

Bonjor,

les valeurs trouvées par dpi sont bonnes, voir la suite A114136 de l'OEIS :

Posté par
verdurin
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 18:08

Bonsoir,
J'ai un doute sur le fait que la moyenne de la somme des chiffres ne soit pas bornée.

Posté par
verdurin
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 18:10

Doute mal venu.

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 18:26

Bonjour à tous

@Verdurin : quel argument proposes-tu pour justifier que la moyenne n'est pas bornée ?

Imod

Posté par
Ulmiere
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 20:27

LaTeX encore en panne...
Si je reprends les notations de carpediem, s(10^pk + r) = s(k) + s(r) dès que p >= 1 et 0 <= r < 10^p.

En particulier, si m = E(log10(n)) est le plus grand entier tel que 10^m <= n, et qu'on pose q = 10^m-1 alors

t(n) = n-10^m+1 + t(n-10^m) + t(10^m-1) = n - q + t(n-q - 1) + t(q)

On remarque que

*   n divise t(n) si seulement s'il divise t(n-1 - q) + t(q) - q
*   t(n) - t(q) = (n-q) + t(n-q) - s(n-q) ne dépend que de n-q.
*   même observation pour la fonction z définie par z(x) = t(x)-x car z(n) - z(q) = t(n-q - 1) = t(n-q) - s(n-q)
*   n divise t(n) si et seulement si n divise z(n) = n(M(n)-1)

z(n) = n(M(n)-1) est toujours un entier, alors
ou bien M(n)-1 (et donc M(n)) est entier
ou bien M(n)-1 est le produit l'inverse d'un diviseur de n et d'un autre entier positif

dit autrement, dans le second cas, M(n) = 1 + k/d avec d diviseur de n et k entier


import math
from fractions import Fraction

cache_t = dict()
def t(n):
    if n < 0:
        return 0
    if n in cache_t:
        return cache_t[n]
    if n < 10:
        u = n * (n+1) >> 1
        cache_t[n] = u
        return u
    
    m = int(math.log10(n))
    M = 10**m
    u = n - M + 1 + t(n-M) + t(M-1)
    cache_t[n] = u
    return u


def M(n):
    return Fraction(t(n), n)

def valable(n):
    return n > 0 and t(n) % n == 0 

Posté par
flight
re : Moyenne de somme entière 23-11-23 à 20:43

voici un bout de code en vba qui donne les memes valeur que dpi je suis allé jusqu'a k=2000 les couples obtenus sont  :  k et c/k

Sub imod()
Dim n As Double
c = 0
w = ""
For k = 1 To 2000
c = 0
   For j = 1 To k
      s = 0
         For a = 1 To Len(CStr(j))
             s = s + Val(Mid(CStr(j), a, 1))
         Next
             c = c + s
   Next
      If c Mod k = 0 Then
         w = w & Chr(10) & k & " " & c / k
      End If
Next

MsgBox w  'voir ci dessous 

End Sub


'retourne  :
1 1
3 2
5 3
7 4
9 5
18 5
21 5
24 5
38 6
58 7
78 8
98 9
298 10
498 11
501 11
537 11
698 12
702 12
707 12
711 12
716 12
898 13
1141 13
1197 13
1501  13
1557  13
1998   13

Posté par
dpi
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 07:52

J'ai une théorie pour prouver que la recherche est infinie:

1/ on ne garde que les terminaisons 98  (cf ma liste du23 16h10)
2je la prolonge de
21   69998
22    89998
23   199998
24    699998
25    599998
26    799998
27    999998   comme l'a trouvé sanantonio312
Il suffit de confirmer la bonne version pour 28 et la raison sera trouvée

Moyenne de somme entière

Posté par
dpi
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 09:13

Je viens de vérifier que la bonne réponse est 28--->2 999 998
soit +2 000 000
Je présume donc les suivants:
J'espère qu'un bon programmeur (j'en connais..)..........

Moyenne de somme entière

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 10:07

Tu progresses bien Dpi et à partir de ton tableau il est facile d'estimer n+2 à partir du quotient et du reste de M modulo 9 . Après il faut justifier

Imod

PS : attention , dans la légende tu as inversé n et M .

Posté par
LittleFox
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 12:10

Il y a des algorithmes en O(log(n)) pour calculer M(n). Mais je ne suis pas sûr que ça aide à répondre à la question de Imod.

Le lien de l'OEIS donné par Jandri affirme que la réponse est oui, l'ensemble des M(n) est l'ensemble des naturels. Mais ne démontre rien.

Essayons de calculer M(n). Soit d(n) la somme des chiffres des nombres de 0 à n-1. d(n) = t(n-1) avec la définition de carpediem.

On décompose n en ses chiffres: n = \sum_{i=0}^{k}{a_i10^i}
On a d(a) = \sum_{i=0}^{a-1}{i} = a(a-1)/2;
On a d(10^k) = k10^{k-1}\sum_{i=0}^{9}{i} = 45k10^{k-1};
On a d(a10^k) = ak10^{k-1}\sum_{i=0}^{9}{i} +10^{k}\sum_{i=0}^{a-1}{i} = 45ak10^{k-1} + \frac{a(a-1)}{2}10^{k} ;
Et finalement,  d(n) = d(a_k10^k + \sum_{i=0}^{k-1}{a_i10^i}) = d(a10^k + n') =   a k10^{k-1}\sum_{i=0}^{9}{i} + 10^{k}\sum_{i=0}^{a-1}{i} +  an' + d(n') =45ak10^{k-1}  + \frac{a(a-1)}{2}10^{k} + an'  + d(n').

De la on peut construire un algorithme:

def d(n):
    s = [(a * (a - 1)) // 2 for a in range(11)]
    digits = list(map(int, str(n)))[::-1]
    k = len(digits)
    pow10k = 10**k
    total = 0
    while k > 0:
        a = digits.pop()
        k -= 1
        pow10k //= 10
        n -= a * pow10k
        total += s[10] * a * k * pow10k // 10 + s[a] * pow10k + a * n

    return total


C'est pratique pour vérifier les résultats et peut-être en déduire des résultats mathématiques.
Mais si on veut vérifier tous les n, ça reste plus efficace de juste sommer les chiffres.

def search_int_m():
    total, n = 0, 0
    while True:
        n += 1
        total += sum(map(int, str(n)))
        if total % n == 0:
            print(n, total, total // n)


La curiosité de sanantonio312 nous montre que les n de la forme x9...98 = a10^k-2 sont les plus petits pour M(n) entier donné.

Revenons au résultat de d(a10^k).
On a M(a10^k-2) = \frac{d(a10^k-1)}{a10^k-2} =  \frac{d(a10^k) - s(a10^k-1)}{a10^k-2} =  \frac{\frac{10*9}{2}ak10^{k-1} + \frac{a(a-1)}{2}10^{k} - (a-1) - 9k}{a10^k-2} = (9k/2)+(a-1)/2 + \frac{9k+(a-1)-(a-1)-9k}{a10^k-2} = \frac{9k+(a-1)}{2}

Tous les nombres naturels non-nuls peuvent être représentés sous la forme \frac{9k+(a-1)}{2}. Donc tous les nombres naturels non-nuls sont des M(n).

def get_n(m):
    k, a = divmod(m*2, 9)
    a += 1
    return a*10**k-2



CQFD

Posté par
LittleFox
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 12:14

Ah et pour répondre à dpi:

M(3*10^{22}-2) = M(29999999999999999999998) = 100 est grand mais pas tant que ça

Posté par
dpi
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 15:28

Merci.

Comment expliquer la particularité de 14 ; 23 ; 32 ;41; 50
et cela se reproduit -il pour   59 ;68 ;etc...

Posté par
LittleFox
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 21:48

14,23,32,...=9x+5 => (k, a) =(2x+1,1)

Rien de particulier sinon qu'on dépasse 9 pour a et donc k est augmenté de 1 et a=1.

Posté par
jandri Correcteur
re : Moyenne de somme entière 24-11-23 à 22:22

Bonjour,

La démonstration de LittleFox se généralise à toute base b en notant S_b(n) la la somme des chiffres de n écrit en base b et M_b(n)=\dfrac1n\sum_{k=1}^nS_b(k).

Pour tout entier N il existe un entier n tel que M_b(n)=\dfrac N2.

En effet, on montre que pour 1\leq a\leq b-1 on a M_b(ab^n-2)=\dfrac{n(b-1)+a-1}2 et cette quantité varie de \dfrac{n(b-1)}2 à \dfrac{(n+1)(b-1)-1}2 quand a varie de 1 à b-1.

En base b=2 c'est très simple : M_2(2^n-2)=\dfrac n2.

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 25-11-23 à 10:32

Bon je crois qu'on a fait le tour du problème , beau travail collectif

Imod

Posté par
LittleFox
re : Moyenne de somme entière 28-11-23 à 09:40

Si la somme commence à 0 au lieu de 1 alors la moyenne est légèrement différente: M'(n) = M(n)*n/(n+1).

Dans ce cas, les n qui donnent M'(n) entiers sont les n=a10^k-1. Avec les même (a,k) que pour M(n).

Posté par
Imod
re : Moyenne de somme entière 28-11-23 à 11:07

C'est vrai qu'en France la coutume est démarrer les entiers naturels à 0 alors que les anglo-saxons commencent à 1 .

Imod



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