IMO 1968 · Problem 6
For every natural number \(n\), evaluate the sum \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (The symbol \([x]\) denotes the greatest integer not exceeding \(x\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{n} \]
Solution
Let \(n\ge 0\) be an integer. We first prove that, for every integer \(k\ge0\), \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
Write \(n=2^{k+1}q+r\), where \(q,r\) are integers and \(0\le r<2^{k+1}\). The left-hand side equals \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] while the right-hand side equals \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor. \] The two remaining floors are both \(0\) when \(r<2^k\), and both \(1\) when \(r\ge2^k\). This proves the identity.
Choose an integer \(K\ge0\) such that \(2^K>n\). For every \(k\ge K\), \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] so the corresponding summand is zero. Thus the sum is finite, and the identity above makes it telescope: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] This also covers \(n=0\), if zero is included among the natural numbers.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1968 · Aufgabe 6
Berechne für jede natürliche Zahl \(n\) die Summe \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (Das Symbol \([x]\) bezeichnet die größte ganze Zahl, die nicht größer als \(x\) ist.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{n} \]
Lösung
Es sei \(n\ge 0\) eine ganze Zahl. Wir beweisen zunächst, dass für jede ganze Zahl \(k\ge0\) gilt: \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
Schreibe \(n=2^{k+1}q+r\), wobei \(q,r\) ganze Zahlen sind und \(0\le r<2^{k+1}\) gilt. Die linke Seite ist gleich \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] während die rechte Seite gleich \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor \] ist. Die beiden verbleibenden Ganzzahlanteile sind für \(r<2^k\) beide \(0\) und für \(r\ge2^k\) beide \(1\). Damit ist die Identität bewiesen.
Wähle eine ganze Zahl \(K\ge0\) mit \(2^K>n\). Für jedes \(k\ge K\) gilt \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] also ist der entsprechende Summand null. Somit ist die Summe endlich, und die obige Identität macht sie zu einer Teleskopsumme: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] Dies schließt auch \(n=0\) ein, falls null zu den natürlichen Zahlen gezählt wird.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1968 · Soru 6
Her \(n\) doğal sayısı için \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] toplamını hesaplayınız. (\([x]\) simgesi, \(x\)'i aşmayan en büyük tam sayıyı gösterir.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{n} \]
Çözüm
\(n\ge 0\) bir tam sayı olsun. Önce her \(k\ge0\) tam sayısı için \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor \] olduğunu kanıtlayalım.
\(q,r\) tam sayılar ve \(0\le r<2^{k+1}\) olmak üzere \(n=2^{k+1}q+r\) yazalım. Sol taraf \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] ifadesine, sağ taraf ise \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor \] ifadesine eşittir. Geriye kalan iki tam kısım ifadesinin ikisi de \(r<2^k\) olduğunda \(0\), \(r\ge2^k\) olduğunda ise \(1\)'dir. Bu, özdeşliği kanıtlar.
\(2^K>n\) olacak şekilde bir \(K\ge0\) tam sayısı seçelim. Her \(k\ge K\) için \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] olduğundan buna karşılık gelen terim sıfırdır. Dolayısıyla toplam sonludur ve yukarıdaki özdeşlik sayesinde terimler birbirini götürür: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] Sıfır doğal sayılara dâhil ediliyorsa, bu sonuç \(n=0\) durumunu da kapsar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1968 · Problema 6
Para todo número natural \(n\), calcule la suma \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (El símbolo \([x]\) denota el mayor entero que no excede de \(x\).)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{n} \]
Solución
Sea \(n\ge 0\) un entero. Demostremos primero que, para todo entero \(k\ge0\), \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
Escribamos \(n=2^{k+1}q+r\), donde \(q,r\) son enteros y \(0\le r<2^{k+1}\). El miembro izquierdo es igual a \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] mientras que el miembro derecho es igual a \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor. \] Las dos partes enteras restantes son ambas \(0\) cuando \(r<2^k\), y ambas \(1\) cuando \(r\ge2^k\). Esto demuestra la identidad.
Elijamos un entero \(K\ge0\) tal que \(2^K>n\). Para todo \(k\ge K\), \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] por lo que el sumando correspondiente es cero. Así, la suma es finita, y la identidad anterior la convierte en una suma telescópica: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] Esto también abarca el caso \(n=0\), si se incluye el cero entre los números naturales.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1968 · 问题 6
对每个自然数 \(n\),求和 \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (符号 \([x]\) 表示不超过 \(x\) 的最大整数。)
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{n} \]
解答
设 \(n\ge 0\) 为整数。首先证明,对每个整数 \(k\ge0\),都有 \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
写成 \(n=2^{k+1}q+r\),其中 \(q,r\) 为整数,且 \(0\le r<2^{k+1}\)。左端等于 \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] 而右端等于 \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor. \] 余下的两个取整式在 \(r<2^k\) 时均为 \(0\),在 \(r\ge2^k\) 时均为 \(1\)。恒等式得证。
选取整数 \(K\ge0\),使得 \(2^K>n\)。对于每个 \(k\ge K\),有 \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] 所以对应的求和项为零。因此,该和式只有有限个非零项,利用上述恒等式可逐项相消: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] 若自然数包含零,上述证明也涵盖了 \(n=0\) 的情形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1968 · Задача 6
Для каждого натурального числа \(n\) вычислите сумму \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (Символ \([x]\) обозначает наибольшее целое число, не превосходящее \(x\).)
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{n} \]
Решение
Пусть \(n\ge 0\) — целое число. Сначала докажем, что для любого целого \(k\ge0\) \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
Запишем \(n=2^{k+1}q+r\), где \(q,r\) — целые числа и \(0\le r<2^{k+1}\). Левая часть равна \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] а правая часть равна \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor. \] Обе оставшиеся целые части равны \(0\) при \(r<2^k\) и обе равны \(1\) при \(r\ge2^k\). Это доказывает тождество.
Выберем целое число \(K\ge0\), такое, что \(2^K>n\). Для любого \(k\ge K\) \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] поэтому соответствующее слагаемое равно нулю. Таким образом, сумма конечна, а доказанное выше тождество позволяет вычислить её посредством взаимного сокращения слагаемых: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] Это рассуждение охватывает и случай \(n=0\), если нуль включается в число натуральных чисел.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1968 · المسألة 6
لكل عدد طبيعي \(n\)، احسب المجموع \[ \sum_{k=0}^{\infty}\left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] = \left[\frac{n+1}{2}\right] + \left[\frac{n+2}{4}\right] +\cdots+ \left[\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right] +\cdots \] (يرمز \([x]\) إلى أكبر عدد صحيح لا يتجاوز \(x\).)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{n} \]
الحل
ليكن \(n\ge 0\) عددًا صحيحًا. نثبت أولًا أنه لكل عدد صحيح \(k\ge0\)، \[ \left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor = \left\lfloor\frac{n}{2^k}\right\rfloor - \left\lfloor\frac{n}{2^{k+1}}\right\rfloor. \]
نكتب \(n=2^{k+1}q+r\)، حيث \(q,r\) عددان صحيحان و\(0\le r<2^{k+1}\). يساوي الطرف الأيسر \[ q+\left\lfloor\frac{r+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor, \] بينما يساوي الطرف الأيمن \[ q+\left\lfloor\frac r{2^k}\right\rfloor. \] الجزآن الصحيحان المتبقيان يساويان كليهما \(0\) عندما \(r<2^k\)، ويساويان كليهما \(1\) عندما \(r\ge2^k\). وهذا يثبت المتطابقة.
نختار عددًا صحيحًا \(K\ge0\) بحيث \(2^K>n\). لكل \(k\ge K\)، لدينا \[ 0\le\frac{n+2^k}{2^{k+1}}<1, \] ولذا فإن حد المجموع الموافق يساوي صفرًا. إذن المجموع منتهٍ، وباستخدام المتطابقة السابقة تتلاشى حدوده بالتتابع: \[ \begin{aligned} \sum_{k=0}^{\infty}\left\lfloor\frac{n+2^k}{2^{k+1}}\right\rfloor &=\sum_{k=0}^{K} \left( \left\lfloor\frac n{2^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{2^{k+1}}\right\rfloor \right)\\ &=n-\left\lfloor\frac n{2^{K+1}}\right\rfloor\\ &=n. \end{aligned} \] ويشمل هذا أيضًا الحالة \(n=0\)، إذا كان الصفر يُعدّ من الأعداد الطبيعية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).