Sommatoria in binario

XXI Gara Nazionale a Squadre – Finale nazionale 17 settembre 2020 – Numero 19

«Solo un atto di vero amore può sciogliere un cuore di ghiaccio». Invece, per un cervello di ghiaccio un rimedio efficace potrebbe essere cimentarsi con il seguente problema.

Siano z(n) e u(n) due funzioni che restituiscono rispettivamente il numero di zeri e di uni nella scrittura in base 2 del numero n, e sia \displaystyle f(n)=\frac{(-1)^{z(n)}}{2^{u(n)}}.
Per esempio, quindi, \displaystyle f(13)=f(1101_2)=\frac{(-1)^1}{2^3} = -\frac{1}{8}, mentre \displaystyle f(17)=f(10001_2)=\frac{(-1)^3}{2^2}=-\frac{1}{4}.
Calcolare quanto vale la somma f(1)+f(2)+f(3)+...+f(1023).

Rispondere con la somma di numeratore e denominatore della frazione ridotta ai minimi termini.

Soluzione 1

Forza bruta: calcolo i valori di f(n) per ogni n da 1 a 1023

n_{10} n_{2} z(n) u(n) f(n) Totale
1 1 0 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
2 10 1 1 \displaystyle -\frac{1}{2} 0
3 11 0 2 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{1}{4}
4 100 2 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{3}{4}
5 101 1 2 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle \frac{1}{2}
13 1101 1 3 \displaystyle -\frac{1}{8} \displaystyle \frac{3}{8}
17 10001 3 2 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle \frac{9}{16}
1022 1111111110 1 9 \displaystyle -\frac{1}{512} \displaystyle \frac{85}{256}
1023 1111111111 0 10 \displaystyle \frac{1}{1024} \displaystyle \frac{341}{1024}

Osserva

  1. Ho compilato la tabella utilizzando Python!
  2. La risposta al quesito: 341+1024 = 1365
  3. Non si intravede uno schema risolutivo semplice.

Soluzione 2

Faccio i conteggi raggruppando per numero di 1 nella rappresentazione binaria (i valori della funzione hanno lo stesso denominatore)

u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
1 0 1 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
1 1 10 1 \displaystyle -\frac{1}{2} \displaystyle -\frac{1}{2}
1 2 100 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
1 3 1000 1 \displaystyle -\frac{1}{2} \displaystyle -\frac{1}{2}
1 4 10000 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
1 5 100000 1 \displaystyle -\frac{1}{2} \displaystyle -\frac{1}{2}
1 6 1000000 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
1 7 10000000 1 \displaystyle -\frac{1}{2} \displaystyle -\frac{1}{2}
1 8 100000000 1 \displaystyle \frac{1}{2} \displaystyle \frac{1}{2}
1 9 1000000000 1 \displaystyle -\frac{1}{2} \displaystyle -\frac{1}{2} 0
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
2 0 11 1 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{1}{4}
2 1 110
101
\displaystyle {2 \choose 1}=2 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle -\frac{2}{4}
2 2 1100

1001
\displaystyle {3 \choose 2}=3 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{3}{4}
2 3 11000

10001
\displaystyle {4 \choose 3}=4 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle -\frac{4}{4}
2 4 110000

100001
\displaystyle {5 \choose 4}=5 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{5}{4}
2 5 1100000

1000001
\displaystyle {6 \choose 5}=6 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle -\frac{6}{4}
2 6 11000000

10000001
\displaystyle {7 \choose 6}=7 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{7}{4}
2 7 110000000

100000001
\displaystyle {8 \choose 7}=8 \displaystyle -\frac{1}{4} \displaystyle -\frac{8}{4}
2 8 1100000000

1000000001
\displaystyle {9 \choose 8}=9 \displaystyle \frac{1}{4} \displaystyle \frac{9}{4} \displaystyle \frac{5}{4}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
3 0 111 1 \displaystyle \frac{1}{8} \displaystyle \frac{1}{8}
3 1 1110

1011
\displaystyle {3 \choose 1}=3 \displaystyle -\frac{1}{8} \displaystyle -\frac{3}{8}
3 2 11100

10011
\displaystyle {4 \choose 2}=6 \displaystyle \frac{1}{8} \displaystyle \frac{6}{8}
3 3 111000

100011
\displaystyle {5 \choose 3}=10 \displaystyle -\frac{1}{8} \displaystyle -\frac{10}{8}
3 4 1110000

1000011
\displaystyle {6 \choose 4}=15 \displaystyle \frac{1}{8} \displaystyle \frac{15}{8}
3 5 11100000

10000011
\displaystyle {7 \choose 5}=21 \displaystyle -\frac{1}{8} \displaystyle -\frac{21}{8}
3 6 111000000

100000011
\displaystyle {8 \choose 6}=28 \displaystyle \frac{1}{8} \displaystyle \frac{28}{8}
3 7 1110000000

1000000011
\displaystyle {9 \choose 7}=36 \displaystyle -\frac{1}{8} \displaystyle -\frac{36}{8} \displaystyle -\frac{20}{8}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
4 0 1111 1 \displaystyle \frac{1}{16} \displaystyle \frac{1}{16}
4 1 11110

10111
\displaystyle {4 \choose 1}=4 \displaystyle -\frac{1}{16} \displaystyle -\frac{4}{16}
4 2 111100

100111
\displaystyle {5 \choose 2}=10 \displaystyle \frac{1}{16} \displaystyle \frac{10}{16}
4 3 1111000

1000111
\displaystyle {6 \choose 3}=20 \displaystyle -\frac{1}{16} \displaystyle -\frac{20}{16}
4 4 11110000

10000111
\displaystyle {7 \choose 4}=35 \displaystyle \frac{1}{16} \displaystyle \frac{35}{16}
4 5 111100000

100000111
\displaystyle {8 \choose 5}=56 \displaystyle -\frac{1}{16} \displaystyle -\frac{56}{16}
4 6 1111000000

1000000111
\displaystyle {9 \choose 6}=84 \displaystyle \frac{1}{16} \displaystyle \frac{84}{16} \displaystyle \frac{50}{16}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
5 0 11111 1 \displaystyle \frac{1}{32} \displaystyle \frac{1}{32}
5 1 111110

101111
\displaystyle {5 \choose 1}=5 \displaystyle -\frac{1}{32} \displaystyle -\frac{5}{32}
5 2 1111100

1001111
\displaystyle {6 \choose 2}=15 \displaystyle \frac{1}{32} \displaystyle \frac{15}{32}
5 3 11111000

10001111
\displaystyle {7 \choose 3}=35 \displaystyle -\frac{1}{32} \displaystyle -\frac{35}{32}
5 4 111110000

100001111
\displaystyle {8 \choose 4}=70 \displaystyle \frac{1}{32} \displaystyle \frac{70}{32}
5 5 1111100000

1000001111
\displaystyle {9 \choose 5}=126 \displaystyle -\frac{1}{32} \displaystyle -\frac{126}{32} \displaystyle -\frac{80}{32}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
6 0 111111 1 \displaystyle \frac{1}{64} \displaystyle \frac{1}{64}
6 1 1111110

1011111
\displaystyle {6 \choose 1}=6 \displaystyle -\frac{1}{64} \displaystyle -\frac{6}{64}
6 2 11111100

10011111
\displaystyle {7 \choose 2}=21 \displaystyle \frac{1}{64} \displaystyle \frac{21}{64}
6 3 111111000

100011111
\displaystyle {8 \choose 3}=56 \displaystyle -\frac{1}{64} \displaystyle -\frac{56}{64}
6 4 1111110000

1000011111
\displaystyle {9 \choose 4}=126 \displaystyle \frac{1}{64} \displaystyle \frac{126}{64} \displaystyle \frac{86}{64}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
7 0 1111111 1 \displaystyle \frac{1}{128} \displaystyle \frac{1}{128}
7 1 11111110

10111111
\displaystyle {7 \choose 1}=7 \displaystyle -\frac{1}{128} \displaystyle -\frac{7}{128}
7 2 111111100

100111111
\displaystyle {8 \choose 2}=28 \displaystyle \frac{1}{128} \displaystyle \frac{28}{128}
7 3 1111111000

1000111111
\displaystyle {9 \choose 3}=84 \displaystyle -\frac{1}{128} \displaystyle -\frac{84}{128} \displaystyle -\frac{62}{128}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
8 0 11111111 1 \displaystyle \frac{1}{256} \displaystyle \frac{1}{256}
8 1 111111110

101111111
\displaystyle {8 \choose 1}=8 \displaystyle -\frac{1}{256} \displaystyle -\frac{8}{256}
8 2 1111111100

1001111111
\displaystyle {9 \choose 2}=36 \displaystyle \frac{1}{256} \displaystyle \frac{36}{256} \displaystyle \frac{29}{256}
u(n) z(n) n_{2} Quanti f(n) Prodotti Totale
9 0 111111111 1 \displaystyle \frac{1}{512} \displaystyle \frac{1}{512}
9 1 1111111110

1011111111
\displaystyle {9 \choose 1}=9 \displaystyle -\frac{1}{512} \displaystyle -\frac{9}{512} \displaystyle -\frac{8}{512}
u(n) z(n) n_{2} Quanti? f(n) Prodotti Totale
10 0 1111111111 1 \displaystyle \frac{1}{1024} \displaystyle \frac{1}{1024} \displaystyle \frac{1}{1024}

La somma dei totali parziali

\displaystyle 0+\frac{5}{4}  - \frac{20}{8} + \frac{50}{16} - \frac{80}{32} + \frac{86}{64} - \frac{62}{128} + \frac{29}{256} - \frac{8}{512} + \frac{1}{1024}

= \displaystyle \frac{5\cdot 256 -20\cdot 128 +50\cdot 64 -80\cdot 32 + 86\cdot 16 -62 \cdot 8 +29 \cdot 4 -8\cdot 2 +1 \cdot 1}{1024}

= \displaystyle \frac{1280-2560+3200-2560+1376-496+116-16+1}{1024}

= \displaystyle \frac{341}{1024}

La risposta al quesito: 341 + 1024 = 1365

Soluzione 3

Deve esistere una tecnica risolutiva più veloce!

???