IMO 1974 · Problem 6
Let \(P\) be a non-constant polynomial with integer coefficients. If \(n(P)\) is the number of distinct integers \(k\) such that \((P(k))^2 = 1\), prove that \(n(P) - \deg(P) \leq 2\), where \(\deg(P)\) denotes the degree of the polynomial \(P\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(d=\deg(P)\geq 1\). The integers counted by \(n(P)\) are roots of the nonzero polynomial \(P(x)^2-1\), so there are finitely many. If there are none, the desired inequality is immediate.
Otherwise, let \(m\) be the smallest such integer, and put \(s=P(m)\in\{1,-1\}\). Divide the counted integers into those satisfying \(P(k)=s\) and those satisfying \(P(k)=-s\).
The first group has at most \(d\) members, because its members are distinct roots of the nonzero polynomial \(P(x)-s\), which has degree \(d\).
For the second group, recall that for distinct integers \(u,v\), \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] Indeed, \(u-v\) divides \(u^j-v^j\) for every positive integer \(j\), and the coefficients of \(P\) are integers.
Thus, if \(P(k)=-s\), then \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] By the minimality of \(m\), and because \(P(k)\neq P(m)\), we have \(k>m\). Consequently, \(k-m\) is a positive divisor of \(2\), so \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] The second group therefore has at most two members. Combining the two bounds gives \[ n(P)\leq d+2, \] as required. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1974 · Aufgabe 6
Sei \(P\) ein nicht konstantes Polynom mit ganzzahligen Koeffizienten. Ist \(n(P)\) die Anzahl der verschiedenen ganzen Zahlen \(k\), für die \((P(k))^2 = 1\) gilt, so beweise, dass \(n(P) - \deg(P) \leq 2\) ist, wobei \(\deg(P)\) den Grad des Polynoms \(P\) bezeichnet.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(d=\deg(P)\geq 1\). Die von \(n(P)\) gezählten ganzen Zahlen sind Nullstellen des vom Nullpolynom verschiedenen Polynoms \(P(x)^2-1\), also gibt es nur endlich viele davon. Gibt es keine, so gilt die gewünschte Ungleichung unmittelbar.
Andernfalls sei \(m\) die kleinste solche ganze Zahl, und wir setzen \(s=P(m)\in\{1,-1\}\). Wir teilen die gezählten ganzen Zahlen in diejenigen mit \(P(k)=s\) und diejenigen mit \(P(k)=-s\) ein.
Die erste Gruppe hat höchstens \(d\) Elemente, da ihre Elemente verschiedene Nullstellen des vom Nullpolynom verschiedenen Polynoms \(P(x)-s\) vom Grad \(d\) sind.
Für die zweite Gruppe erinnern wir daran, dass für verschiedene ganze Zahlen \(u,v\) gilt: \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] Denn \(u-v\) teilt \(u^j-v^j\) für jede positive ganze Zahl \(j\), und die Koeffizienten von \(P\) sind ganzzahlig.
Gilt also \(P(k)=-s\), so folgt \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] Aufgrund der Minimalität von \(m\) und wegen \(P(k)\neq P(m)\) gilt \(k>m\). Folglich ist \(k-m\) ein positiver Teiler von \(2\), also gilt \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] Die zweite Gruppe hat daher höchstens zwei Elemente. Zusammen ergeben die beiden Schranken \[ n(P)\leq d+2, \] wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1974 · Soru 6
\(P\), tam sayı katsayılı, sabit olmayan bir polinom olsun. \(n(P)\), \((P(k))^2 = 1\) eşitliğini sağlayan farklı \(k\) tam sayılarının sayısı ise \(n(P) - \deg(P) \leq 2\) olduğunu kanıtlayınız; burada \(\deg(P)\), \(P\) polinomunun derecesini gösterir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(d=\deg(P)\geq 1\) olsun. \(n(P)\) ile sayılan tam sayılar, sıfır polinomu olmayan \(P(x)^2-1\) polinomunun kökleri olduğundan bunların sayısı sonludur. Böyle bir tam sayı yoksa istenen eşitsizlik açıktır.
Aksi hâlde, bu tam sayıların en küçüğü \(m\) olsun ve \(s=P(m)\in\{1,-1\}\) alalım. Sayılan tam sayıları, \(P(k)=s\) eşitliğini sağlayanlar ve \(P(k)=-s\) eşitliğini sağlayanlar olmak üzere iki gruba ayıralım.
Birinci grupta en fazla \(d\) eleman vardır; çünkü bu grubun elemanları, sıfır polinomu olmayan ve derecesi \(d\) olan \(P(x)-s\) polinomunun farklı kökleridir.
İkinci grup için, farklı \(u,v\) tam sayıları için \[ u-v\mid P(u)-P(v) \] olduğunu hatırlayalım. Gerçekten de \(u-v\), her pozitif \(j\) tam sayısı için \(u^j-v^j\)'yi böler ve \(P\)'nin katsayıları tam sayıdır.
Dolayısıyla \(P(k)=-s\) ise \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] \(m\)'nin en küçük olması ve \(P(k)\neq P(m)\) olması nedeniyle \(k>m\) olur. Dolayısıyla \(k-m\), \(2\)'nin pozitif bir bölenidir; bu yüzden \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] Böylece ikinci grupta en fazla iki eleman vardır. İki sınırı birleştirince \[ n(P)\leq d+2, \] elde edilir; bu da istenen sonuçtur. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1974 · Problema 6
Sea \(P\) un polinomio no constante con coeficientes enteros. Si \(n(P)\) es el número de enteros distintos \(k\) tales que \((P(k))^2 = 1\), demostrar que \(n(P) - \deg(P) \leq 2\), donde \(\deg(P)\) denota el grado del polinomio \(P\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(d=\deg(P)\geq 1\). Los enteros contados por \(n(P)\) son raíces del polinomio no nulo \(P(x)^2-1\), por lo que hay un número finito de ellos. Si no hay ninguno, la desigualdad deseada es inmediata.
En caso contrario, sea \(m\) el menor de tales enteros, y sea \(s=P(m)\in\{1,-1\}\). Dividamos los enteros contados en los que satisfacen \(P(k)=s\) y los que satisfacen \(P(k)=-s\).
El primer grupo tiene a lo sumo \(d\) elementos, pues sus elementos son raíces distintas del polinomio no nulo \(P(x)-s\), cuyo grado es \(d\).
Para el segundo grupo, recordemos que, para enteros distintos \(u,v\), \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] En efecto, \(u-v\) divide a \(u^j-v^j\) para todo entero positivo \(j\), y los coeficientes de \(P\) son enteros.
Así pues, si \(P(k)=-s\), entonces \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] Por la minimalidad de \(m\), y dado que \(P(k)\neq P(m)\), tenemos \(k>m\). En consecuencia, \(k-m\) es un divisor positivo de \(2\), por lo que \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] Por tanto, el segundo grupo tiene a lo sumo dos elementos. Combinando las dos cotas, se obtiene \[ n(P)\leq d+2, \] como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1974 · 问题 6
设 \(P\) 是一个非常数的整系数多项式。若 \(n(P)\) 表示满足 \((P(k))^2 = 1\) 的不同整数 \(k\) 的个数,证明 \(n(P) - \deg(P) \leq 2\),其中 \(\deg(P)\) 表示多项式 \(P\) 的次数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(d=\deg(P)\geq 1\)。\(n(P)\) 所计数的整数都是非零多项式 \(P(x)^2-1\) 的根,因此其个数有限。若不存在这样的整数,则所求不等式显然成立。
否则,设 \(m\) 是这样的整数中最小的一个,并令 \(s=P(m)\in\{1,-1\}\)。将这些整数分成满足 \(P(k)=s\) 和满足 \(P(k)=-s\) 的两组。
第一组至多有 \(d\) 个整数,因为它们都是非零多项式 \(P(x)-s\) 的互不相同的根,而该多项式的次数为 \(d\)。
对于第二组,回顾如下事实:对于不同的整数 \(u,v\), \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] 事实上,对于每个正整数 \(j\),\(u-v\) 都整除 \(u^j-v^j\),而且 \(P\) 的系数都是整数。
因此,若 \(P(k)=-s\),则 \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] 由 \(m\) 的最小性,且由于 \(P(k)\neq P(m)\),可知 \(k>m\)。因此,\(k-m\) 是 \(2\) 的正约数,所以 \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] 故第二组至多有两个整数。结合这两个上界,得 \[ n(P)\leq d+2, \] 即得所证。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1974 · Задача 6
Пусть \(P\) — непостоянный многочлен с целыми коэффициентами. Если \(n(P)\) — число различных целых чисел \(k\), для которых \((P(k))^2 = 1\), докажите, что \(n(P) - \deg(P) \leq 2\), где \(\deg(P)\) обозначает степень многочлена \(P\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(d=\deg(P)\geq 1\). Целые числа, учитываемые в \(n(P)\), являются корнями ненулевого многочлена \(P(x)^2-1\), поэтому их конечное число. Если таких чисел нет, требуемое неравенство очевидно.
В противном случае пусть \(m\) — наименьшее из таких целых чисел, и положим \(s=P(m)\in\{1,-1\}\). Разделим учитываемые целые числа на те, для которых \(P(k)=s\), и те, для которых \(P(k)=-s\).
В первой группе не более \(d\) чисел, поскольку они являются различными корнями ненулевого многочлена \(P(x)-s\) степени \(d\).
Для оценки второй группы напомним, что для различных целых чисел \(u,v\) \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] Действительно, \(u-v\) делит \(u^j-v^j\) для любого положительного целого \(j\), а коэффициенты \(P\) целые.
Таким образом, если \(P(k)=-s\), то \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] В силу минимальности \(m\) и того, что \(P(k)\neq P(m)\), имеем \(k>m\). Следовательно, \(k-m\) — положительный делитель числа \(2\), поэтому \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] Значит, во второй группе не более двух чисел. Объединяя две оценки, получаем \[ n(P)\leq d+2, \] что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1974 · المسألة 6
لتكن \(P\) كثيرة حدود غير ثابتة ذات معاملات صحيحة. إذا كان \(n(P)\) عدد الأعداد الصحيحة المتمايزة \(k\) التي تحقق \((P(k))^2 = 1\)، فأثبت أن \(n(P) - \deg(P) \leq 2\)، حيث ترمز \(\deg(P)\) إلى درجة كثيرة الحدود \(P\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(d=\deg(P)\geq 1\). الأعداد الصحيحة التي يحصيها \(n(P)\) جذور لكثيرة الحدود غير الصفرية \(P(x)^2-1\)، لذا فإن عددها منتهٍ. وإذا لم يوجد أي منها، فإن المتباينة المطلوبة تتحقق مباشرة.
وإلا، فليكن \(m\) أصغر عدد صحيح من هذا النوع، ولنضع \(s=P(m)\in\{1,-1\}\). نقسم الأعداد الصحيحة المحصاة إلى مجموعة تحقق \(P(k)=s\) ومجموعة تحقق \(P(k)=-s\).
تحتوي المجموعة الأولى على \(d\) عناصر على الأكثر، لأن عناصرها جذور متمايزة لكثيرة الحدود غير الصفرية \(P(x)-s\)، التي درجتها \(d\).
أما المجموعة الثانية، فنتذكر أنه لأي عددين صحيحين متمايزين \(u,v\)، \[ u-v\mid P(u)-P(v). \] فبالفعل، يقسم \(u-v\) العدد \(u^j-v^j\) لكل عدد صحيح موجب \(j\)، ومعاملات \(P\) أعداد صحيحة.
إذن، إذا كان \(P(k)=-s\)، فإن \[ k-m\mid P(k)-P(m)=-2s. \] وبما أن \(m\) هو الأصغر، وبما أن \(P(k)\neq P(m)\)، فإن \(k>m\). وبالتالي فإن \(k-m\) قاسم موجب للعدد \(2\)، ومن ثم \[ k\in\{m+1,m+2\}. \] لذلك تحتوي المجموعة الثانية على عنصرين على الأكثر. وبالجمع بين الحدين نحصل على \[ n(P)\leq d+2, \] كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).