IMO 1967 · Problem 5
Consider the sequence \(\{c_n\}\), where \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] in which \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) are real numbers not all equal to zero. Suppose that an infinite number of terms of the sequence \(\{c_n\}\) are equal to zero. Find all natural numbers \(n\) for which \(c_n=0\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Precisely all odd positive integers: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
Solution
For every positive integer \(m\), \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] because every summand is nonnegative and at least one is positive. Consequently, there is a strictly increasing sequence of odd positive integers \(n_k\) such that \(c_{n_k}=0\).
Let \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] be the distinct nonzero absolute values among \(a_1,\ldots,a_8\). For each \(j\), let \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] For every odd positive integer \(n\), grouping terms with equal absolute value gives \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] Any zero values among the \(a_i\) contribute nothing.
Suppose some \(d_j\) is nonzero, and choose the largest such index \(j\). Since \(c_{n_k}=0\), division by \(r_j^{n_k}\) yields \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] For every \(i<j\), we have \(0<r_i/r_j<1\). Thus, as \(k\to\infty\), each term in the finite sum tends to zero, giving \(d_j=0\), a contradiction. This also covers \(j=1\), when the sum is empty.
Therefore every \(d_j=0\), so \(c_n=0\) for every odd positive integer \(n\). Together with the strict positivity of all even-indexed terms, this proves the answer.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1967 · Aufgabe 5
Betrachte die Folge \(\{c_n\}\), wobei \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] und \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) reelle Zahlen sind, die nicht alle gleich null sind. Es sei vorausgesetzt, dass unendlich viele Glieder der Folge \(\{c_n\}\) gleich null sind. Bestimme alle natürlichen Zahlen \(n\), für die \(c_n=0\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau alle ungeraden positiven ganzen Zahlen: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
Lösung
Für jede positive ganze Zahl \(m\) gilt \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] weil jeder Summand nichtnegativ und mindestens einer positiv ist. Folglich gibt es eine streng monoton wachsende Folge ungerader positiver ganzer Zahlen \(n_k\), für die \(c_{n_k}=0\) gilt.
Es seien \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] die verschiedenen von null verschiedenen Beträge unter \(a_1,\ldots,a_8\). Für jedes \(j\) sei \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] Für jede ungerade positive ganze Zahl \(n\) ergibt das Zusammenfassen der Terme mit gleichem Betrag \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] Eventuelle Nullwerte unter den \(a_i\) tragen nichts bei.
Nehmen wir an, dass ein \(d_j\) von null verschieden ist, und wählen wir den größten solchen Index \(j\). Wegen \(c_{n_k}=0\) ergibt die Division durch \(r_j^{n_k}\) \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] Für jedes \(i<j\) gilt \(0<r_i/r_j<1\). Für \(k\to\infty\) strebt daher jeder Term der endlichen Summe gegen null, woraus sich \(d_j=0\) ergibt, ein Widerspruch. Dies schließt auch \(j=1\) ein, wenn die Summe leer ist.
Daher gilt für jedes \(j\), dass \(d_j=0\), also ist \(c_n=0\) für jede ungerade positive ganze Zahl \(n\). Zusammen mit der strikten Positivität aller Glieder mit geradem Index beweist dies die Antwort.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1967 · Soru 5
\(\{c_n\}\) dizisini ele alalım; burada \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] olup \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) hepsi birden sıfır olmayan gerçel sayılardır. \(\{c_n\}\) dizisinin sonsuz sayıda teriminin sıfıra eşit olduğunu varsayalım. \(c_n=0\) olan tüm \(n\) doğal sayılarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak tüm tek pozitif tam sayılar: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
Çözüm
Her \(m\) pozitif tam sayısı için \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] çünkü her terim negatif değildir ve en az biri pozitiftir. Dolayısıyla, \(c_{n_k}=0\) olacak şekilde tek pozitif tam sayılardan oluşan kesin artan bir \(n_k\) dizisi vardır.
\(a_1,\ldots,a_8\) sayılarının sıfırdan farklı mutlak değerleri arasındaki birbirinden farklı değerler \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] olsun. Her \(j\) için \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\} \] olarak tanımlayalım. Her tek pozitif \(n\) tam sayısı için, mutlak değeri eşit terimleri gruplayarak \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n \] elde ederiz. \(a_i\)'ler arasındaki sıfır değerler toplama katkıda bulunmaz.
Bazı \(d_j\)'lerin sıfırdan farklı olduğunu varsayalım ve bu özelliğe sahip en büyük \(j\) indisini seçelim. \(c_{n_k}=0\) olduğundan, \(r_j^{n_k}\)'ye bölerek \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k} \] elde ederiz. Her \(i<j\) için \(0<r_i/r_j<1\) olur. Böylece, \(k\to\infty\) iken sonlu toplamdaki her terim sıfıra yaklaşır ve \(d_j=0\) elde edilir; bu bir çelişkidir. Bu akıl yürütme, toplamın boş olduğu \(j=1\) durumunu da kapsar.
Dolayısıyla her \(d_j=0\) olur; böylece her tek pozitif \(n\) tam sayısı için \(c_n=0\)'dır. Bu sonuç, çift indisli tüm terimlerin kesinlikle pozitif olmasıyla birlikte cevabı kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1967 · Problema 5
Considere la sucesión \(\{c_n\}\), donde \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] y \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) son números reales no todos iguales a cero. Suponga que una cantidad infinita de términos de la sucesión \(\{c_n\}\) son iguales a cero. Halle todos los números naturales \(n\) para los que \(c_n=0\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente todos los enteros positivos impares: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
Solución
Para todo entero positivo \(m\), \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] porque cada sumando es no negativo y al menos uno es positivo. Por consiguiente, existe una sucesión estrictamente creciente de enteros positivos impares \(n_k\) tales que \(c_{n_k}=0\).
Sean \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] los distintos valores absolutos no nulos de \(a_1,\ldots,a_8\). Para cada \(j\), sea \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] Para todo entero positivo impar \(n\), al agrupar los términos con el mismo valor absoluto se obtiene \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] Los valores nulos que pueda haber entre los \(a_i\) no aportan nada a la suma.
Supongamos que algún \(d_j\) es no nulo y elijamos el mayor índice \(j\) con esa propiedad. Como \(c_{n_k}=0\), al dividir por \(r_j^{n_k}\) se obtiene \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] Para todo \(i<j\), tenemos \(0<r_i/r_j<1\). Así, cuando \(k\to\infty\), cada término de la suma finita tiende a cero, lo que da \(d_j=0\), una contradicción. Esto también cubre el caso \(j=1\), en el que la suma es vacía.
Por tanto, todos los \(d_j=0\), de modo que \(c_n=0\) para todo entero positivo impar \(n\). Junto con la positividad estricta de todos los términos de índice par, esto demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1967 · 问题 5
考虑数列 \(\{c_n\}\),其中 \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] 且 \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) 是不全为零的实数。假设数列 \(\{c_n\}\) 中有无穷多项等于零。求所有使 \(c_n=0\) 的自然数 \(n\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
恰为所有正奇数: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
解答
对于每个正整数 \(m\), \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] 因为每个加数都非负,且至少有一个为正。因此,存在严格递增的正奇数列 \(n_k\),使得 \(c_{n_k}=0\)。
设 \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] 为 \(a_1,\ldots,a_8\) 中互不相同的非零绝对值。对每个 \(j\),令 \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] 对于每个正奇数 \(n\),将绝对值相同的项归为一组,得 \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] \(a_i\) 中的零值对这个和没有贡献。
假设某个 \(d_j\) 非零,并取满足此条件的最大下标 \(j\)。由于 \(c_{n_k}=0\),除以 \(r_j^{n_k}\) 得 \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] 对每个 \(i<j\),都有 \(0<r_i/r_j<1\)。因此,当 \(k\to\infty\) 时,有限和中的每一项都趋于零,从而得到 \(d_j=0\),矛盾。这也包括 \(j=1\) 的情形,此时该和为空和。
因此,每个 \(d_j=0\),所以对于每个正奇数 \(n\),都有 \(c_n=0\)。结合所有偶数下标的项都严格为正,即得所述答案。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1967 · Задача 5
Рассмотрим последовательность \(\{c_n\}\), где \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] и \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) — действительные числа, не все равные нулю. Предположим, что бесконечно много членов последовательности \(\{c_n\}\) равны нулю. Найдите все натуральные числа \(n\), для которых \(c_n=0\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В точности все нечётные положительные целые числа: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
Решение
Для каждого положительного целого числа \(m\) \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] так как каждое слагаемое неотрицательно и хотя бы одно положительно. Следовательно, существует строго возрастающая последовательность нечётных положительных целых чисел \(n_k\), для которых \(c_{n_k}=0\).
Пусть \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] — все различные ненулевые значения модулей чисел \(a_1,\ldots,a_8\). Для каждого \(j\) положим \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] Для каждого нечётного положительного целого числа \(n\), группируя слагаемые с одинаковыми модулями, получаем \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] Нулевые значения среди \(a_i\) не вносят вклада в сумму.
Предположим, что некоторое \(d_j\) отлично от нуля, и выберем наибольший такой индекс \(j\). Поскольку \(c_{n_k}=0\), деление на \(r_j^{n_k}\) даёт \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] Для каждого \(i<j\) имеем \(0<r_i/r_j<1\). Поэтому при \(k\to\infty\) каждое слагаемое конечной суммы стремится к нулю, откуда \(d_j=0\), что даёт противоречие. Это рассуждение охватывает и случай \(j=1\), когда сумма пуста.
Следовательно, все \(d_j=0\), поэтому \(c_n=0\) для каждого нечётного положительного целого числа \(n\). Вместе со строгой положительностью всех членов с чётными номерами это доказывает указанный ответ.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1967 · المسألة 5
نعتبر المتتالية \(\{c_n\}\)، حيث \[ \begin{aligned} c_1 &= a_1+a_2+\cdots+a_8\\ c_2 &= a_1^2+a_2^2+\cdots+a_8^2\\ &\quad\cdots\\ c_n &= a_1^n+a_2^n+\cdots+a_8^n\\ &\quad\cdots \end{aligned} \] وفيها \(a_1,a_2,\cdots,a_8\) أعداد حقيقية ليست كلها مساوية للصفر. افترض أن عددًا لا نهائيًا من حدود المتتالية \(\{c_n\}\) يساوي الصفر. أوجد جميع الأعداد الطبيعية \(n\) التي من أجلها \(c_n=0\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الأعداد الصحيحة الموجبة الفردية، دون غيرها: \[ \boxed{n=1,3,5,\ldots.} \]
الحل
لكل عدد صحيح موجب \(m\)، \[ c_{2m}=\sum_{i=1}^{8}a_i^{2m}>0, \] لأن كل حد في المجموع غير سالب، وواحدًا منها على الأقل موجب. ومن ثم توجد متتالية متزايدة تمامًا من الأعداد الصحيحة الموجبة الفردية \(n_k\) بحيث \(c_{n_k}=0\).
لتكن \[ 0<r_1<r_2<\cdots<r_s \] القيم المطلقة غير الصفرية المتمايزة بين \(a_1,\ldots,a_8\). لكل \(j\)، نضع \[ d_j=\#\{i:a_i=r_j\}-\#\{i:a_i=-r_j\}. \] لكل عدد صحيح موجب فردي \(n\)، يعطي تجميع الحدود ذات القيمة المطلقة نفسها \[ c_n=\sum_{j=1}^{s}d_jr_j^n. \] وأي قيم صفرية بين \(a_i\) لا تسهم بشيء في المجموع.
نفترض أن بعض \(d_j\) غير صفري، ونختار أكبر دليل \(j\) يحقق ذلك. بما أن \(c_{n_k}=0\)، فإن القسمة على \(r_j^{n_k}\) تعطي \[ 0=d_j+\sum_{i=1}^{j-1}d_i\left(\frac{r_i}{r_j}\right)^{n_k}. \] لكل \(i<j\)، لدينا \(0<r_i/r_j<1\). لذا، عندما \(k\to\infty\)، يؤول كل حد في المجموع المنتهي إلى الصفر، فنحصل على \(d_j=0\)، وهذا تناقض. ويشمل ذلك أيضًا \(j=1\)، حين يكون المجموع فارغًا.
إذن كل \(d_j=0\)، وبالتالي \(c_n=0\) لكل عدد صحيح موجب فردي \(n\). ومع الإيجابية التامة لجميع الحدود ذات الأدلة الزوجية، يثبت هذا الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).