IMO 1967 · Problem 3
Let \(k,m,n\) be natural numbers such that \(m+k+1\) is a prime greater than \(n+1\). Let \(c_s=s(s+1)\). Prove that the product \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] is divisible by the product \(c_1c_2\cdots c_n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We use the fact that the product of any \(r\) consecutive integers is divisible by \(r!\). For consecutive positive integers beginning with \(a\), this follows from \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] If the product contains zero, the assertion is immediate. If all its factors are negative, changing their signs and reversing their order reduces it to the positive case.
Set \(p=m+k+1\), which is prime and greater than \(n+1\). For \(1\le i\le n\), \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] Thus the required numerator is \(AB\), where \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
The factors of \(A\) are \(n\) consecutive integers, so \[ n!\mid A. \] Also, \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] is a product of \(n+1\) consecutive integers. Hence \[ (n+1)!\mid pB. \] Since \(p\) is prime and \(p>n+1\), we have \[ \gcd\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] Consequently, \((n+1)!\mid B\). Multiplying the two divisibilities gives \[ n!(n+1)!\mid AB. \] Finally, \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] which proves the claim.
If natural numbers are taken to include zero, the case \(n=0\) also holds: both products are empty and equal to \(1\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1967 · Aufgabe 3
Es seien \(k,m,n\) natürliche Zahlen, sodass \(m+k+1\) eine Primzahl größer als \(n+1\) ist. Es sei \(c_s=s(s+1)\). Beweise, dass das Produkt \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] durch das Produkt \(c_1c_2\cdots c_n\) teilbar ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir verwenden die Tatsache, dass das Produkt von beliebigen \(r\) aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen durch \(r!\) teilbar ist. Für aufeinanderfolgende positive ganze Zahlen, die mit \(a\) beginnen, folgt dies aus \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] Enthält das Produkt den Faktor null, so ist die Behauptung unmittelbar klar. Sind alle seine Faktoren negativ, so führt man es durch Umkehren ihrer Vorzeichen und ihrer Reihenfolge auf den positiven Fall zurück.
Wir setzen \(p=m+k+1\); diese Zahl ist eine Primzahl und größer als \(n+1\). Für \(1\le i\le n\) gilt \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] Somit ist der zu untersuchende Zähler gleich \(AB\), wobei \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
Die Faktoren von \(A\) sind \(n\) aufeinanderfolgende ganze Zahlen, also gilt \[ n!\mid A. \] Außerdem ist \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] ein Produkt von \(n+1\) aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen. Daher gilt \[ (n+1)!\mid pB. \] Da \(p\) eine Primzahl ist und \(p>n+1\) gilt, haben wir \[ \operatorname{ggT}\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] Folglich gilt \((n+1)!\mid B\). Durch Multiplikation der beiden Teilbarkeitsbeziehungen erhält man \[ n!(n+1)!\mid AB. \] Schließlich gilt \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] womit die Behauptung bewiesen ist.
Zählt man die Null zu den natürlichen Zahlen, so gilt auch der Fall \(n=0\): Beide Produkte sind leer und gleich \(1\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1967 · Soru 3
\(k,m,n\), \(m+k+1\) sayısı \(n+1\)'den büyük bir asal sayı olacak şekilde doğal sayılar olsun. \(c_s=s(s+1)\) olarak tanımlansın. \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] çarpımının \(c_1c_2\cdots c_n\) çarpımına bölünebildiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Ardışık herhangi \(r\) tam sayının çarpımının \(r!\)'e bölünebildiği gerçeğini kullanacağız. \(a\) ile başlayan ardışık pozitif tam sayılar için bu, \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r} \] eşitliğinden çıkar. Çarpım sıfır içeriyorsa iddia açıktır. Tüm çarpanlar negatifse, işaretlerini değiştirip sıralarını tersine çevirmek problemi pozitif duruma indirger.
\(p=m+k+1\) diyelim; bu sayı asaldır ve \(n+1\)'den büyüktür. \(1\le i\le n\) için \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] Böylece, söz konusu bölümün payı \(AB\) olup burada \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
\(A\)'nın çarpanları ardışık \(n\) tam sayı olduğundan \[ n!\mid A. \] Ayrıca, \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] ardışık \(n+1\) tam sayının çarpımıdır. Dolayısıyla \[ (n+1)!\mid pB. \] \(p\) asal ve \(p>n+1\) olduğundan \[ \operatorname{ebob}\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] Bunun sonucunda \((n+1)!\mid B\) olur. Bu iki bölünebilirlik bağıntısını çarparak \[ n!(n+1)!\mid AB \] elde ederiz. Son olarak, \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] bu da iddiayı kanıtlar.
Doğal sayıların sıfırı da içerdiği kabul edilirse, \(n=0\) durumu da geçerlidir: her iki çarpım da boş çarpımdır ve \(1\)'e eşittir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1967 · Problema 3
Sean \(k,m,n\) números naturales tales que \(m+k+1\) es un número primo mayor que \(n+1\). Sea \(c_s=s(s+1)\). Demuestre que el producto \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] es divisible por el producto \(c_1c_2\cdots c_n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Usaremos el hecho de que el producto de cualesquiera \(r\) enteros consecutivos es divisible por \(r!\). Para enteros positivos consecutivos que comienzan en \(a\), esto se deduce de \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] Si el producto contiene un cero, la afirmación es inmediata. Si todos sus factores son negativos, cambiarles el signo e invertir su orden lo reduce al caso positivo.
Sea \(p=m+k+1\), que es primo y mayor que \(n+1\). Para \(1\le i\le n\), \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] Así, el numerador en cuestión es \(AB\), donde \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
Los factores de \(A\) son \(n\) enteros consecutivos, por lo que \[ n!\mid A. \] Además, \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] es un producto de \(n+1\) enteros consecutivos. Por ello, \[ (n+1)!\mid pB. \] Como \(p\) es primo y \(p>n+1\), tenemos \[ \operatorname{mcd}\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] Por consiguiente, \((n+1)!\mid B\). Al multiplicar las dos relaciones de divisibilidad se obtiene \[ n!(n+1)!\mid AB. \] Finalmente, \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] lo que demuestra la afirmación.
Si se considera que los números naturales incluyen el cero, el caso \(n=0\) también se cumple: ambos productos son vacíos e iguales a \(1\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1967 · 问题 3
设 \(k,m,n\) 为自然数,且 \(m+k+1\) 是大于 \(n+1\) 的素数。令 \(c_s=s(s+1)\)。证明乘积 \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] 能被乘积 \(c_1c_2\cdots c_n\) 整除。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们使用如下事实:任意 \(r\) 个连续整数的乘积都能被 \(r!\) 整除。对于从 \(a\) 开始的连续正整数,这由下式可知: \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] 若乘积中含有零,则结论显然成立。若所有因子均为负数,则将它们变号并颠倒排列顺序,即可化归为正数的情形。
令 \(p=m+k+1\),则 \(p\) 是大于 \(n+1\) 的素数。对于 \(1\le i\le n\), \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] 因此,待证整除关系中的被除数为 \(AB\),其中 \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
\(A\) 的各因子是 \(n\) 个连续整数,所以 \[ n!\mid A. \] 此外, \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] 是 \(n+1\) 个连续整数的乘积。因此 \[ (n+1)!\mid pB. \] 由于 \(p\) 是素数且 \(p>n+1\),有 \[ \gcd\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] 从而 \((n+1)!\mid B\)。将这两个整除关系相乘,得 \[ n!(n+1)!\mid AB. \] 最后, \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] 这就证明了结论。
若自然数的定义包含零,则 \(n=0\) 的情形也成立:两个乘积都是空积,均等于 \(1\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1967 · Задача 3
Пусть \(k,m,n\) — натуральные числа, для которых \(m+k+1\) — простое число, большее \(n+1\). Пусть \(c_s=s(s+1)\). Докажите, что произведение \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] делится на произведение \(c_1c_2\cdots c_n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Воспользуемся тем, что произведение любых \(r\) последовательных целых чисел делится на \(r!\). Для последовательных положительных целых чисел, начиная с \(a\), это следует из равенства \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] Если произведение содержит нуль, утверждение очевидно. Если все его множители отрицательны, то замена их знаков и обращение порядка сводят дело к случаю положительных чисел.
Положим \(p=m+k+1\); это простое число, большее \(n+1\). При \(1\le i\le n\) \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] Таким образом, числитель рассматриваемого отношения равен \(AB\), где \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
Множители в \(A\) — это \(n\) последовательных целых чисел, поэтому \[ n!\mid A. \] Кроме того, \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] есть произведение \(n+1\) последовательных целых чисел. Следовательно, \[ (n+1)!\mid pB. \] Поскольку \(p\) — простое число и \(p>n+1\), имеем \[ \operatorname{НОД}\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] Следовательно, \((n+1)!\mid B\). Перемножая два соотношения делимости, получаем \[ n!(n+1)!\mid AB. \] Наконец, \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] что и доказывает утверждение.
Если к натуральным числам относят и нуль, то случай \(n=0\) также удовлетворяет утверждению: оба произведения пусты и равны \(1\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1967 · المسألة 3
لتكن \(k,m,n\) أعدادًا طبيعية بحيث يكون \(m+k+1\) عددًا أوليًا أكبر من \(n+1\). وليكن \(c_s=s(s+1)\). أثبت أن حاصل الضرب \[ (c_{m+1}-c_k)(c_{m+2}-c_k)\cdots(c_{m+n}-c_k) \] يقبل القسمة على حاصل الضرب \(c_1c_2\cdots c_n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نستخدم حقيقة أن حاصل ضرب أي \(r\) أعداد صحيحة متتالية يقبل القسمة على \(r!\). بالنسبة إلى أعداد صحيحة موجبة متتالية تبدأ بالعدد \(a\)، ينتج ذلك من \[ a(a+1)\cdots(a+r-1)=r!\binom{a+r-1}{r}. \] إذا احتوى حاصل الضرب على الصفر، كانت النتيجة مباشرة. وإذا كانت جميع عوامله سالبة، فإن تغيير إشاراتها وعكس ترتيبها يردّانه إلى الحالة الموجبة.
نضع \(p=m+k+1\)، وهو عدد أولي أكبر من \(n+1\). لكل \(1\le i\le n\)، لدينا \[ c_{m+i}-c_k =(m+i)(m+i+1)-k(k+1) =(m-k+i)(p+i). \] إذن البسط المطلوب هو \(AB\)، حيث \[ A=\prod_{i=1}^{n}(m-k+i), \qquad B=\prod_{i=1}^{n}(p+i). \]
عوامل \(A\) هي \(n\) أعداد صحيحة متتالية، ولذلك \[ n!\mid A. \] كذلك، فإن \[ pB=p(p+1)\cdots(p+n) \] حاصل ضرب \(n+1\) أعداد صحيحة متتالية. ومن ثم \[ (n+1)!\mid pB. \] بما أن \(p\) أولي و\(p>n+1\)، فإن \[ \gcd\bigl(p,(n+1)!\bigr)=1. \] وبالتالي \((n+1)!\mid B\). وبضرب علاقتي القابلية للقسمة نحصل على \[ n!(n+1)!\mid AB. \] وأخيرًا، \[ c_1c_2\cdots c_n =\prod_{i=1}^{n}i(i+1) =n!(n+1)!, \] وهذا يثبت المطلوب.
إذا عُدَّ الصفر من الأعداد الطبيعية، فإن الحالة \(n=0\) صحيحة أيضًا: كلا حاصلي الضرب فارغ ويساوي \(1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).