IMO 1973 · Problem 6
Let \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) be \(n\) positive numbers, and let \(q\) be a given real number such that \(0<q<1\). Find \(n\) numbers \(b_1,b_2,\ldots,b_n\) for which
(a) \(a_k<b_k\) for \(k=1,2,\cdots,n\),
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\) for \(k=1,2,\ldots,n-1\),
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
For \(n=1\), take \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] For \(n\ge2\), take \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
Solution
If \(n=1\), then \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] because \(a_1>0\) and \(0<q<1\). Condition (b) has no instances, so this case is complete.
Now suppose \(n\ge2\), and define \(b_k\) as in the answer.
For each \(k\), the term with \(j=k\) equals \(a_k\), and all the other terms are positive. Hence \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] which proves (a).
For \(1\le k\le n-1\), cancellation gives \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] and \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] Both sums are nonempty, and every summand is positive. Since \(b_k>0\) and \(q>0\), these inequalities imply \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] proving (b).
Finally, for every \(j\in\{1,\ldots,n\}\), the finite geometric-sum formula yields \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] Here an empty sum is understood as zero. Multiplying by \(a_j>0\) and summing over \(j\), we obtain \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] This proves (c), completing the construction.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1973 · Aufgabe 6
Seien \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) beliebige \(n\) positive Zahlen, und sei \(q\) eine gegebene reelle Zahl mit \(0<q<1\). Finde \(n\) Zahlen \(b_1,b_2,\ldots,b_n\), für die gilt:
(a) \(a_k<b_k\) für \(k=1,2,\cdots,n\),
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\) für \(k=1,2,\ldots,n-1\),
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Für \(n=1\) wähle \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] Für \(n\ge2\) wähle \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
Lösung
Für \(n=1\) gilt \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] denn \(a_1>0\) und \(0<q<1\). Bedingung (b) enthält in diesem Fall keine zu prüfende Ungleichung, sodass dieser Fall abgeschlossen ist.
Sei nun \(n\ge2\), und definiere \(b_k\) wie in der Antwort.
Für jedes \(k\) ist der Summand mit \(j=k\) gleich \(a_k\), und alle anderen Summanden sind positiv. Daher gilt \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] womit (a) bewiesen ist.
Für \(1\le k\le n-1\) ergibt sich durch Aufheben der entsprechenden Terme \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] und \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] Beide Summen sind nicht leer, und jeder Summand ist positiv. Wegen \(b_k>0\) und \(q>0\) folgt aus diesen Ungleichungen \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] womit (b) bewiesen ist.
Schließlich liefert die Formel für die endliche geometrische Summe für jedes \(j\in\{1,\ldots,n\}\) \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] Dabei wird eine leere Summe als null verstanden. Durch Multiplikation mit \(a_j>0\) und Summation über \(j\) erhalten wir \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] Damit ist (c) bewiesen und die Konstruktion abgeschlossen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1973 · Soru 6
\(a_1,a_2,\ldots,a_n\), \(n\) tane pozitif sayı ve \(q\), \(0<q<1\) koşulunu sağlayan verilmiş bir gerçel sayı olsun. Aşağıdaki koşulları sağlayan \(n\) tane \(b_1,b_2,\ldots,b_n\) sayısı bulunuz:
(a) \(a_k<b_k\), her \(k=1,2,\cdots,n\) için,
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\), her \(k=1,2,\ldots,n-1\) için,
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\(n=1\) için \[ b_1=\frac{a_1}{1-q} \] alalım. \(n\ge2\) için \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n)} \] alalım.
Çözüm
\(n=1\) ise \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] olur; çünkü \(a_1>0\) ve \(0<q<1\) olur. (b) koşulunun uygulanacağı bir indis bulunmadığından bu durum tamamlanmıştır.
Şimdi \(n\ge2\) olduğunu varsayalım ve \(b_k\) sayılarını cevapta olduğu gibi tanımlayalım.
Her \(k\) için \(j=k\) olan terim \(a_k\) değerine eşittir ve diğer tüm terimler pozitiftir. Dolayısıyla \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] olur; bu da (a) koşulunu kanıtlar.
\(1\le k\le n-1\) için terimler sadeleştirildiğinde \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] ve \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0 \] elde edilir. Her iki toplam da en az bir terim içerir ve her terim pozitiftir. \(b_k>0\) ve \(q>0\) olduğundan, bu eşitsizliklerden \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] elde edilir; böylece (b) koşulu kanıtlanır.
Son olarak, her \(j\in\{1,\ldots,n\}\) için sonlu geometrik toplam formülünden \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q} \end{aligned} \] elde edilir. Burada boş toplam sıfır kabul edilir. \(a_j>0\) ile çarpıp \(j\) üzerinden toplarsak \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j \] elde ederiz. Bu, (c) koşulunu kanıtlar ve kurulumu tamamlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1973 · Problema 6
Sean \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) \(n\) números positivos, y sea \(q\) un número real dado tal que \(0<q<1\). Hallar \(n\) números \(b_1,b_2,\ldots,b_n\) para los cuales
(a) \(a_k<b_k\) para \(k=1,2,\cdots,n\),
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\) para \(k=1,2,\ldots,n-1\),
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Para \(n=1\), tomemos \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] Para \(n\ge2\), tomemos \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
Solución
Si \(n=1\), entonces \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] porque \(a_1>0\) y \(0<q<1\). La condición (b) no tiene ningún caso que verificar, por lo que este caso queda resuelto.
Supongamos ahora que \(n\ge2\), y definamos \(b_k\) como en la respuesta.
Para cada \(k\), el término con \(j=k\) es igual a \(a_k\), y todos los demás términos son positivos. Por tanto, \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] lo que demuestra (a).
Para \(1\le k\le n-1\), al cancelar términos obtenemos \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] y \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] Ambas sumas son no vacías, y cada sumando es positivo. Como \(b_k>0\) y \(q>0\), estas desigualdades implican \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] lo que demuestra (b).
Finalmente, para todo \(j\in\{1,\ldots,n\}\), la fórmula de la suma geométrica finita da \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] Aquí se entiende que una suma vacía vale cero. Multiplicando por \(a_j>0\) y sumando sobre \(j\), obtenemos \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] Esto demuestra (c) y completa la construcción.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1973 · 问题 6
设 \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) 为 \(n\) 个正数,\(q\) 为给定的实数,且 \(0<q<1\)。求 \(n\) 个数 \(b_1,b_2,\ldots,b_n\),使得
(a) \(a_k<b_k\),其中 \(k=1,2,\cdots,n\),
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\),其中 \(k=1,2,\ldots,n-1\),
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
当 \(n=1\) 时,取 \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] 当 \(n\ge2\) 时,取 \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
解答
若 \(n=1\),则 \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] 因为 \(a_1>0\) 且 \(0<q<1\)。条件 (b) 中没有需要验证的情形,因此这一情形已解决。
现设 \(n\ge2\),并按答案中的方式定义 \(b_k\)。
对每个 \(k\),\(j=k\) 对应的项等于 \(a_k\),其余各项均为正数。因此, \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] 这就证明了 (a)。
对于 \(1\le k\le n-1\),消去相同的项,得 \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] 以及 \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] 这两个和都不是空和,且每个求和项均为正数。由于 \(b_k>0\) 且 \(q>0\),这些不等式给出 \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] 从而证明了 (b)。
最后,对每个 \(j\in\{1,\ldots,n\}\),由有限等比数列求和公式可得 \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] 这里约定空和为零。两边乘以 \(a_j>0\),再对 \(j\) 求和,得 \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] 这就证明了 (c),构造完成。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1973 · Задача 6
Пусть \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) — \(n\) положительных чисел, а \(q\) — данное действительное число, такое, что \(0<q<1\). Найдите \(n\) чисел \(b_1,b_2,\ldots,b_n\), для которых
(a) \(a_k<b_k\) при \(k=1,2,\cdots,n\),
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\) при \(k=1,2,\ldots,n-1\),
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
При \(n=1\) возьмём \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] При \(n\ge2\) возьмём \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
Решение
Если \(n=1\), то \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] поскольку \(a_1>0\) и \(0<q<1\). Условие (b) в этом случае не содержит ни одного неравенства, так что этот случай разобран.
Теперь предположим, что \(n\ge2\), и определим \(b_k\), как указано в ответе.
Для каждого \(k\) слагаемое с \(j=k\) равно \(a_k\), а все остальные слагаемые положительны. Поэтому \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] что доказывает (a).
При \(1\le k\le n-1\) после сокращения получаем \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] и \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] Обе суммы непусты, и каждое слагаемое положительно. Поскольку \(b_k>0\) и \(q>0\), из этих неравенств следует \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] что доказывает (b).
Наконец, для каждого \(j\in\{1,\ldots,n\}\) по формуле суммы конечной геометрической прогрессии \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] Здесь пустая сумма считается равной нулю. Умножая на \(a_j>0\) и суммируя по \(j\), получаем \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] Это доказывает (c) и завершает построение.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1973 · المسألة 6
لتكن \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) أعدادًا موجبة عددها \(n\)، وليكن \(q\) عددًا حقيقيًا معطى بحيث \(0<q<1\). أوجد \(n\) عددًا \(b_1,b_2,\ldots,b_n\) تحقق
(a) \(a_k<b_k\) لكل \(k=1,2,\cdots,n\)،
(b) \(q<\dfrac{b_{k+1}}{b_k}<\dfrac1q\) لكل \(k=1,2,\ldots,n-1\)،
(c) \(b_1+b_2+\cdots+b_n<\dfrac{1+q}{1-q}(a_1+a_2+\cdots+a_n)\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
عندما يكون \(n=1\)، نأخذ \[ b_1=\frac{a_1}{1-q}. \] وعندما يكون \(n\ge2\)، نأخذ \[ \boxed{b_k=\sum_{j=1}^{n}a_jq^{|k-j|}\qquad(k=1,\ldots,n).} \]
الحل
إذا كان \(n=1\)، فإن \[ a_1<\frac{a_1}{1-q}<\frac{1+q}{1-q}a_1, \] لأن \(a_1>0\) و\(0<q<1\). ولا توجد قيم للدليل ينطبق عليها الشرط (b)، وبذلك تكتمل هذه الحالة.
نفترض الآن أن \(n\ge2\)، ونعرف \(b_k\) كما في الإجابة.
لكل \(k\)، يساوي الحد الموافق لـ \(j=k\) العدد \(a_k\)، وجميع الحدود الأخرى موجبة. ومن ثم \[ b_k=a_k+\sum_{\substack{1\le j\le n\\j\ne k}}a_jq^{|k-j|}>a_k, \] وهذا يثبت (a).
لكل \(1\le k\le n-1\)، يعطينا اختزال الحدود \[ b_{k+1}-qb_k =(1-q^2)\sum_{j=k+1}^{n}a_jq^{j-k-1}>0 \] و \[ b_k-qb_{k+1} =(1-q^2)\sum_{j=1}^{k}a_jq^{k-j}>0. \] كلا المجموعين غير فارغ، وكل حد فيهما موجب. وبما أن \(b_k>0\) و\(q>0\)، فإن هاتين المتباينتين تستلزمان \[ q<\frac{b_{k+1}}{b_k}<\frac1q, \] مما يثبت (b).
أخيرًا، لكل \(j\in\{1,\ldots,n\}\)، تعطينا صيغة مجموع متتالية هندسية منتهية \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} &=1+\sum_{r=1}^{j-1}q^r+\sum_{r=1}^{n-j}q^r\\ &=\frac{1+q-q^j-q^{n-j+1}}{1-q}\\ &<\frac{1+q}{1-q}. \end{aligned} \] ويُعد المجموع الفارغ هنا مساويًا للصفر. بالضرب في \(a_j>0\) والجمع على \(j\)، نحصل على \[ \sum_{k=1}^{n}b_k =\sum_{j=1}^{n}a_j\sum_{k=1}^{n}q^{|k-j|} <\frac{1+q}{1-q}\sum_{j=1}^{n}a_j. \] وهذا يثبت (c)، ويكتمل بذلك الإنشاء.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).