IMO 1974 · Problem 3
Prove that the number \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) is not divisible by \(5\) for any integer \(n\geq 0\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Fix an integer \(n\geq 0\), and write \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] Both \(S\) and \(T\) are integers. By the binomial theorem, separating the even and odd powers of \(\sqrt8\), we obtain \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] Multiplying these identities gives \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
Suppose that \(5\mid S\). Reducing the last identity modulo \(5\), we get \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] Thus \(T^2\) is congruent to \(3\) when \(n\) is even and to \(2\) when \(n\) is odd. But the only possible square residues modulo \(5\) are \(0,1,4\), as follows by squaring \(0,1,2,3,4\).
This contradiction proves that \(5\nmid S\) for every integer \(n\geq0\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1974 · Aufgabe 3
Beweise, dass die Zahl \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) für keine ganze Zahl \(n\geq 0\) durch \(5\) teilbar ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen eine feste ganze Zahl \(n\geq 0\) und schreiben \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] Sowohl \(S\) als auch \(T\) sind ganze Zahlen. Nach dem binomischen Lehrsatz erhalten wir durch Trennung der geraden und ungeraden Potenzen von \(\sqrt8\) \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] Die Multiplikation dieser Identitäten ergibt \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
Angenommen, es gilt \(5\mid S\). Reduzieren wir die letzte Identität modulo \(5\), so erhalten wir \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] Somit ist \(T^2\) für gerades \(n\) kongruent zu \(3\) und für ungerades \(n\) kongruent zu \(2\). Die einzigen möglichen Reste von Quadratzahlen modulo \(5\) sind jedoch \(0,1,4\), wie man durch Quadrieren von \(0,1,2,3,4\) erkennt.
Dieser Widerspruch beweist, dass \(5\nmid S\) für jede ganze Zahl \(n\geq0\) gilt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1974 · Soru 3
\(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) sayısının hiçbir \(n\geq 0\) tam sayısı için \(5\) ile bölünmediğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir \(n\geq 0\) tam sayısı sabitleyelim ve \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k \] yazalım. Hem \(S\) hem de \(T\) tam sayıdır. Binom teoreminde \(\sqrt8\)'in çift ve tek kuvvetlerini ayırarak \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S \] elde ederiz. Bu özdeşlikleri çarparsak \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n \] olur.
\(5\mid S\) olduğunu varsayalım. Son özdeşliği \(5\) modunda ele alarak \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5 \] elde ederiz. Dolayısıyla \(T^2\), \(n\) çiftken \(3\)'e, \(n\) tekken \(2\)'ye denktir. Ancak \(0,1,2,3,4\) sayılarının kareleri alınarak görüleceği üzere \(5\) modunda mümkün olan tek kare kalanları \(0,1,4\)'tür.
Bu çelişki, her \(n\geq0\) tam sayısı için \(5\nmid S\) olduğunu kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1974 · Problema 3
Demostrar que el número \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) no es divisible por \(5\) para ningún entero \(n\geq 0\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Fijemos un entero \(n\geq 0\) y escribamos \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] Tanto \(S\) como \(T\) son enteros. Por el teorema del binomio, separando las potencias pares e impares de \(\sqrt8\), obtenemos \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] Al multiplicar estas identidades se obtiene \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
Supongamos que \(5\mid S\). Reduciendo la última identidad módulo \(5\), obtenemos \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] Así pues, \(T^2\) es congruente con \(3\) cuando \(n\) es par y con \(2\) cuando \(n\) es impar. Pero los únicos residuos posibles de un cuadrado módulo \(5\) son \(0,1,4\), como se comprueba elevando al cuadrado \(0,1,2,3,4\).
Esta contradicción demuestra que \(5\nmid S\) para todo entero \(n\geq0\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1974 · 问题 3
证明:对于任意整数 \(n\geq 0\),数 \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) 都不能被 \(5\) 整除。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
固定一个整数 \(n\geq 0\),记 \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] \(S\) 和 \(T\) 都是整数。由二项式定理,将 \(\sqrt8\) 的偶数次幂项与奇数次幂项分开,得 \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] 将这两个恒等式相乘,得 \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
假设 \(5\mid S\)。将上一个恒等式对 \(5\) 取模,得 \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] 因此,\(T^2\) 在 \(n\) 为偶数时同余于 \(3\),在 \(n\) 为奇数时同余于 \(2\)。然而,平方数模 \(5\) 的余数只可能是 \(0,1,4\),这可由将 \(0,1,2,3,4\) 分别平方看出。
这一矛盾证明了对于每个整数 \(n\geq0\),都有 \(5\nmid S\)。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1974 · Задача 3
Докажите, что число \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) не делится на \(5\) ни при каком целом \(n\geq 0\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Зафиксируем целое число \(n\geq 0\) и обозначим \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] Оба числа \(S\) и \(T\) целые. По формуле бинома Ньютона, отделяя чётные степени \(\sqrt8\) от нечётных, получаем \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] Перемножая эти равенства, получаем \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
Предположим, что \(5\mid S\). Рассматривая последнее равенство по модулю \(5\), получаем \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] Таким образом, \(T^2\) сравнимо с \(3\), если \(n\) чётно, и с \(2\), если \(n\) нечётно. Но квадрат числа может давать по модулю \(5\) лишь остатки \(0,1,4\), что следует из возведения в квадрат чисел \(0,1,2,3,4\).
Это противоречие доказывает, что \(5\nmid S\) для любого целого \(n\geq0\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1974 · المسألة 3
أثبت أن العدد \(\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}2^{3k}\) لا يقبل القسمة على \(5\) لأي عدد صحيح \(n\geq 0\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت عددًا صحيحًا \(n\geq 0\)، ونكتب \[ S=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k+1}8^k, \qquad T=\sum_{k=0}^{n}\binom{2n+1}{2k}8^k. \] كل من \(S\) و\(T\) عدد صحيح. وباستخدام مبرهنة ذات الحدين، مع فصل القوى الزوجية والفردية للعدد \(\sqrt8\)، نحصل على \[ (1+\sqrt8)^{2n+1}=T+\sqrt8\,S, \qquad (1-\sqrt8)^{2n+1}=T-\sqrt8\,S. \] وبضرب هاتين المتطابقتين نحصل على \[ T^2-8S^2=(1-8)^{2n+1} =(-7)^{2n+1}=-7\cdot49^n. \]
نفترض أن \(5\mid S\). بأخذ المتطابقة الأخيرة بترديد \(5\)، نحصل على \[ T^2\equiv -7\cdot49^n \equiv 3(-1)^n\pmod5. \] إذن \(T^2\) يوافق \(3\) عندما يكون \(n\) زوجيًا، ويوافق \(2\) عندما يكون \(n\) فرديًا. لكن البواقي الممكنة الوحيدة للمربعات بترديد \(5\) هي \(0,1,4\)، كما يتبين بتربيع الأعداد \(0,1,2,3,4\).
يثبت هذا التناقض أن \(5\nmid S\) لكل عدد صحيح \(n\geq0\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).