IMO 1972 · Problem 3
Let \(m\) and \(n\) be arbitrary non-negative integers. Prove that \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] is an integer. (\(0! = 1\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] For all non-negative integers \(m,n\), the factorial definition gives \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] Adding these equalities yields \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
We now prove by induction on \(n\) that \(S(m,n)\) is an integer for every non-negative integer \(m\).
For \(n=0\), \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] which is an integer because it counts the \(m\)-element subsets of a set with \(2m\) elements. This also holds when \(m=0\).
Suppose the assertion holds for a fixed \(n\) and every non-negative integer \(m\). Then \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] is an integer for every such \(m\), since both terms on the right are integers by the induction hypothesis.
Thus the required expression is an integer for all non-negative integers \(m,n\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1972 · Aufgabe 3
Seien \(m\) und \(n\) beliebige nichtnegative ganze Zahlen. Beweise, dass \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] eine ganze Zahl ist. (\(0! = 1\).)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Schreibe \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] Für alle nichtnegativen ganzen Zahlen \(m,n\) ergibt die Definition der Fakultät \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] Durch Addition dieser Gleichungen erhält man \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
Wir beweisen nun durch Induktion über \(n\), dass \(S(m,n)\) für jede nichtnegative ganze Zahl \(m\) eine ganze Zahl ist.
Für \(n=0\) gilt \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] und dies ist eine ganze Zahl, da sie die \(m\)-elementigen Teilmengen einer Menge mit \(2m\) Elementen zählt. Dies gilt auch für \(m=0\).
Nehmen wir an, die Behauptung gilt für ein festes \(n\) und jede nichtnegative ganze Zahl \(m\). Dann ist \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] für jedes solche \(m\) eine ganze Zahl, da nach der Induktionsvoraussetzung beide Terme auf der rechten Seite ganze Zahlen sind.
Somit ist der angegebene Ausdruck für alle nichtnegativen ganzen Zahlen \(m,n\) eine ganze Zahl. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1972 · Soru 3
\(m\) ve \(n\) herhangi iki negatif olmayan tam sayı olsun. \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] ifadesinin bir tam sayı olduğunu kanıtlayınız. (\(0! = 1\).)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] olarak yazalım. Negatif olmayan tüm \(m,n\) tam sayıları için faktöriyel tanımından \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n) \] elde edilir. Bu eşitlikleri toplarsak \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n) \] buluruz.
Şimdi \(n\) üzerinden tümevarımla, negatif olmayan her \(m\) tam sayısı için \(S(m,n)\) ifadesinin bir tam sayı olduğunu kanıtlayacağız.
\(n=0\) için, \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] bir tam sayıdır; çünkü \(2m\) elemanlı bir kümenin \(m\) elemanlı alt kümelerinin sayısını verir. Bu, \(m=0\) için de geçerlidir.
İddianın sabit bir \(n\) ve negatif olmayan her \(m\) tam sayısı için doğru olduğunu varsayalım. O zaman \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] bu tür her \(m\) için bir tam sayıdır; çünkü tümevarım varsayımına göre sağ taraftaki iki terim de tam sayıdır.
Böylece istenen ifade, negatif olmayan tüm \(m,n\) tam sayıları için bir tam sayıdır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1972 · Problema 3
Sean \(m\) y \(n\) enteros no negativos cualesquiera. Demostrar que \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] es un entero. (\(0! = 1\).)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] Para todos los enteros no negativos \(m,n\), la definición de factorial da \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] Sumando estas igualdades se obtiene \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
Demostraremos ahora por inducción sobre \(n\) que \(S(m,n)\) es un entero para todo entero no negativo \(m\).
Para \(n=0\), \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] que es un entero porque cuenta los subconjuntos de \(m\) elementos de un conjunto con \(2m\) elementos. Esto también se cumple cuando \(m=0\).
Supongamos que la afirmación se cumple para un \(n\) fijo y todo entero no negativo \(m\). Entonces \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] es un entero para todo \(m\) de este tipo, ya que ambos términos del segundo miembro son enteros por la hipótesis de inducción.
Por tanto, la expresión dada es un entero para todos los enteros no negativos \(m,n\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1972 · 问题 3
设 \(m\) 和 \(n\) 为任意非负整数。证明 \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] 是整数。(\(0! = 1\)。)
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] 对所有非负整数 \(m,n\),由阶乘的定义可得 \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] 将这两个等式相加,得到 \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
现在对 \(n\) 用数学归纳法证明:对每个非负整数 \(m\),\(S(m,n)\) 都是整数。
当 \(n=0\) 时, \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] 它是整数,因为它表示一个含有 \(2m\) 个元素的集合的所有含 \(m\) 个元素的子集的个数。当 \(m=0\) 时,这也成立。
假设对于某个固定的 \(n\) 以及每个非负整数 \(m\),上述断言成立。那么 \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] 对于每个这样的 \(m\) 都是整数,因为由归纳假设,右边的两项都是整数。
因此,对所有非负整数 \(m,n\),所给表达式都是整数。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1972 · Задача 3
Пусть \(m\) и \(n\) — произвольные неотрицательные целые числа. Докажите, что \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] является целым числом. (\(0! = 1\).)
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] Для всех неотрицательных целых \(m,n\) из определения факториала получаем \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] Сложив эти равенства, получим \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
Теперь докажем индукцией по \(n\), что \(S(m,n)\) — целое число для каждого неотрицательного целого \(m\).
При \(n=0\) \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] что является целым числом, поскольку равно числу \(m\)-элементных подмножеств множества из \(2m\) элементов. Это верно и при \(m=0\).
Предположим, что утверждение верно для некоторого фиксированного \(n\) и каждого неотрицательного целого \(m\). Тогда \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] является целым числом для каждого такого \(m\), поскольку оба слагаемых в правой части целые по предположению индукции.
Таким образом, данное выражение является целым числом для всех неотрицательных целых \(m,n\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1972 · المسألة 3
ليكن \(m\) و\(n\) عددين صحيحين غير سالبين كيفيين. أثبت أن \[ \frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!} \] عدد صحيح. (\(0! = 1\).)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \[ S(m,n)=\frac{(2m)!(2n)!}{m!n!(m+n)!}. \] لكل عددين صحيحين غير سالبين \(m,n\)، يعطينا تعريف المضروب \[ S(m+1,n)=\frac{2(2m+1)}{m+n+1}S(m,n), \qquad S(m,n+1)=\frac{2(2n+1)}{m+n+1}S(m,n). \] بجمع هاتين المساواتين نحصل على \[ S(m+1,n)+S(m,n+1)=4S(m,n). \]
نثبت الآن بالاستقراء على \(n\) أن \(S(m,n)\) عدد صحيح لكل عدد صحيح غير سالب \(m\).
عندما \(n=0\)، يكون \[ S(m,0)=\frac{(2m)!}{m!m!}=\binom{2m}{m}, \] وهو عدد صحيح لأنه يعدّ المجموعات الجزئية ذات \(m\) عنصرًا من مجموعة ذات \(2m\) عنصرًا. ويصح ذلك أيضًا عندما \(m=0\).
لنفترض أن العبارة صحيحة لقيمة ثابتة من \(n\) ولكل عدد صحيح غير سالب \(m\). عندئذ يكون \[ S(m,n+1)=4S(m,n)-S(m+1,n) \] عددًا صحيحًا لكل \(m\) من هذا القبيل، لأن كلا الحدين في الطرف الأيمن عدد صحيح بحسب فرضية الاستقراء.
إذن المقدار المطلوب عدد صحيح لكل عددين صحيحين غير سالبين \(m,n\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).