IMO 1977 · Problem 5
Let \(a\) and \(b\) be positive integers. When \(a^2+b^2\) is divided by \(a+b\), the quotient is \(q\) and the remainder is \(r\). Find all pairs \((a,b)\) such that \(q^2+r=1977\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
Solution
By the division algorithm, \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] Put \(s=a+b\). Since \(a^2+b^2\ge s^2/2\), we have \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] Thus \(s<2q+2\). As all quantities are integers, \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] Consequently, \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] Since \(44^2=1936<1977<2025=45^2\), this forces \[ q=44,\qquad r=41. \]
The division equation therefore becomes \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] or, after completing the squares, \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] Write \(x=a-22\) and \(y=b-22\). Squares modulo \(8\) are \(0,1,4\), and \(1009\equiv1\pmod8\). Hence one of \(x,y\) is odd and the other is divisible by \(4\).
Let \(t\) be the absolute value of the even coordinate. Since \(t^2\le1009<32^2\), \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] The other coordinate must have square \(1009-t^2\). The following exhaustive check leaves just one possibility:
| \(t\) | Check of \(1009-t^2\) |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
Thus \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] Because \(a,b>0\), we have \(x,y\ge-21\), so the coordinate of absolute value \(28\) must be \(28\). The other coordinate can be \(15\) or \(-15\). Adding \(22\) gives exactly \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
For each of these pairs, \(a^2+b^2=44(a+b)+41\), and \(a+b\) is either \(57\) or \(87\). Therefore \(41<a+b\), so the quotient and remainder are indeed \(44\) and \(41\), with \[ 44^2+41=1977. \] All four pairs satisfy the requirements.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1977 · Aufgabe 5
Seien \(a\) und \(b\) positive ganze Zahlen. Bei der Division von \(a^2+b^2\) durch \(a+b\) ist der Quotient \(q\) und der Rest \(r\). Finde alle Paare \((a,b)\), für die \(q^2+r=1977\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
Lösung
Nach dem Satz über die Division mit Rest gilt \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] Setze \(s=a+b\). Wegen \(a^2+b^2\ge s^2/2\) gilt \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] Somit ist \(s<2q+2\). Da alle Größen ganzzahlig sind, gilt \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] Folglich ist \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] Wegen \(44^2=1936<1977<2025=45^2\) folgt daraus zwingend \[ q=44,\qquad r=41. \]
Die Gleichung der Division mit Rest wird daher zu \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] oder, nach quadratischer Ergänzung, \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] Schreibe \(x=a-22\) und \(y=b-22\). Quadrate haben modulo \(8\) die Reste \(0,1,4\), und es gilt \(1009\equiv1\pmod8\). Daher ist eine der Zahlen \(x,y\) ungerade und die andere durch \(4\) teilbar.
Sei \(t\) der Betrag der geraden Koordinate. Wegen \(t^2\le1009<32^2\) gilt \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] Das Quadrat der anderen Koordinate muss \(1009-t^2\) sein. Die folgende vollständige Überprüfung lässt nur eine Möglichkeit übrig:
| \(t\) | Überprüfung von \(1009-t^2\) |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
Somit gilt \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] Wegen \(a,b>0\) gilt \(x,y\ge-21\), also muss die Koordinate mit dem Betrag \(28\) gleich \(28\) sein. Die andere Koordinate kann \(15\) oder \(-15\) sein. Durch Addition von \(22\) erhält man genau \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
Für jedes dieser Paare gilt \(a^2+b^2=44(a+b)+41\), und \(a+b\) ist entweder \(57\) oder \(87\). Daher ist \(41<a+b\), sodass der Quotient und der Rest tatsächlich \(44\) und \(41\) sind, wobei gilt: \[ 44^2+41=1977. \] Alle vier Paare erfüllen die Bedingungen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1977 · Soru 5
\(a\) ve \(b\) pozitif tam sayılar olsun. \(a^2+b^2\) sayısının \(a+b\) sayısına bölümünde bölüm \(q\), kalan \(r\)'dir. \(q^2+r=1977\) koşulunu sağlayan tüm \((a,b)\) ikililerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
Çözüm
Bölme algoritmasına göre, \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] \(s=a+b\) olsun. \(a^2+b^2\ge s^2/2\) olduğundan, \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s \] elde edilir. Böylece \(s<2q+2\) olur. Tüm nicelikler tam sayı olduğundan, \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q \] olur. Dolayısıyla, \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] \(44^2=1936<1977<2025=45^2\) olduğundan, buradan zorunlu olarak \[ q=44,\qquad r=41 \] elde edilir.
Böylece bölme eşitliği \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] hâline gelir; kareye tamamlandığında ise \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009 \] olur. \(x=a-22\) ve \(y=b-22\) yazalım. Karelerin \(8\) modülündeki kalanları \(0,1,4\)'tür ve \(1009\equiv1\pmod8\)'dir. Dolayısıyla \(x,y\) sayılarından biri tek, diğeri ise \(4\)'e bölünendir.
Çift olan koordinatın mutlak değeri \(t\) olsun. \(t^2\le1009<32^2\) olduğundan, \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\} \] olur. Diğer koordinatın karesi \(1009-t^2\) olmalıdır. Tüm durumların aşağıdaki gibi incelenmesiyle yalnızca bir olasılık kalır:
| \(t\) | \(1009-t^2\) değerinin incelenmesi |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
Böylece \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\} \] olur. \(a,b>0\) olduğundan \(x,y\ge-21\)'dir; dolayısıyla mutlak değeri \(28\) olan koordinat \(28\) olmalıdır. Diğer koordinat \(15\) veya \(-15\) olabilir. \(22\) eklendiğinde tam olarak \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50) \] ikilileri elde edilir.
Bu ikililerin her biri için \(a^2+b^2=44(a+b)+41\) olup \(a+b\), ya \(57\) ya da \(87\)'dir. Dolayısıyla \(41<a+b\) olduğundan, bölüm ve kalan gerçekten de \(44\) ve \(41\)'dir ve \[ 44^2+41=1977 \] olur. Dört ikilinin tümü istenen koşulları sağlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1977 · Problema 5
Sean \(a\) y \(b\) enteros positivos. Al dividir \(a^2+b^2\) entre \(a+b\), el cociente es \(q\) y el resto es \(r\). Hallar todos los pares \((a,b)\) tales que \(q^2+r=1977\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
Solución
Por el algoritmo de la división, \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] Pongamos \(s=a+b\). Como \(a^2+b^2\ge s^2/2\), tenemos \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] Así pues, \(s<2q+2\). Como todas las cantidades son enteras, \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] En consecuencia, \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] Como \(44^2=1936<1977<2025=45^2\), esto obliga a que \[ q=44,\qquad r=41. \]
La ecuación de la división se convierte, por tanto, en \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] o, tras completar cuadrados, \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] Escribamos \(x=a-22\) e \(y=b-22\). Los cuadrados módulo \(8\) son \(0,1,4\), y \(1009\equiv1\pmod8\). Por tanto, uno de los números \(x,y\) es impar y el otro es divisible por \(4\).
Sea \(t\) el valor absoluto de la coordenada par. Como \(t^2\le1009<32^2\), \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] El cuadrado de la otra coordenada debe ser \(1009-t^2\). La siguiente comprobación exhaustiva deja una sola posibilidad:
| \(t\) | Comprobación de \(1009-t^2\) |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
Así pues, \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] Como \(a,b>0\), tenemos \(x,y\ge-21\), por lo que la coordenada de valor absoluto \(28\) debe ser \(28\). La otra coordenada puede ser \(15\) o \(-15\). Al sumar \(22\) obtenemos exactamente \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
Para cada uno de estos pares, \(a^2+b^2=44(a+b)+41\), y \(a+b\) es \(57\) u \(87\). Por tanto, \(41<a+b\), de modo que el cociente y el resto son, en efecto, \(44\) y \(41\), y se cumple \[ 44^2+41=1977. \] Los cuatro pares satisfacen las condiciones.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1977 · 问题 5
设 \(a\) 和 \(b\) 为正整数。用 \(a+b\) 除 \(a^2+b^2\),所得的商为 \(q\),余数为 \(r\)。求所有满足 \(q^2+r=1977\) 的数对 \((a,b)\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
解答
由带余除法, \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] 令 \(s=a+b\)。由于 \(a^2+b^2\ge s^2/2\),有 \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] 因此 \(s<2q+2\)。由于各量均为整数, \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] 从而, \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] 由于 \(44^2=1936<1977<2025=45^2\),必有 \[ q=44,\qquad r=41. \]
因此,带余除法的等式变为 \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] 配方后即为 \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] 记 \(x=a-22\),\(y=b-22\)。平方数模 \(8\) 的余数为 \(0,1,4\),且 \(1009\equiv1\pmod8\)。因此,\(x,y\) 中一个是奇数,另一个能被 \(4\) 整除。
设 \(t\) 为偶数坐标的绝对值。由于 \(t^2\le1009<32^2\), \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] 另一个坐标的平方必须为 \(1009-t^2\)。以下逐一检验所有情形后,只剩下一种可能:
| \(t\) | 对 \(1009-t^2\) 的检验 |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
因此 \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] 因为 \(a,b>0\),所以 \(x,y\ge-21\),故绝对值为 \(28\) 的坐标必须为 \(28\)。另一个坐标可以为 \(15\) 或 \(-15\)。加上 \(22\) 后,恰好得到 \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
对于每一个这样的数对,都有 \(a^2+b^2=44(a+b)+41\),且 \(a+b\) 为 \(57\) 或 \(87\)。因此 \(41<a+b\),故商和余数确实分别为 \(44\) 和 \(41\),并且 \[ 44^2+41=1977. \] 这四个数对均满足要求。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1977 · Задача 5
Пусть \(a\) и \(b\) — положительные целые числа. При делении \(a^2+b^2\) на \(a+b\) частное равно \(q\), а остаток равен \(r\). Найдите все пары \((a,b)\), для которых \(q^2+r=1977\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
Решение
По определению деления с остатком \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] Положим \(s=a+b\). Поскольку \(a^2+b^2\ge s^2/2\), имеем \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] Таким образом, \(s<2q+2\). Поскольку все величины целые, \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] Следовательно, \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] Поскольку \(44^2=1936<1977<2025=45^2\), отсюда следует \[ q=44,\qquad r=41. \]
Поэтому равенство, выражающее деление с остатком, принимает вид \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] или, после выделения полных квадратов, \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] Обозначим \(x=a-22\) и \(y=b-22\). Квадраты по модулю \(8\) дают остатки \(0,1,4\), а \(1009\equiv1\pmod8\). Следовательно, одно из чисел \(x,y\) нечётно, а другое делится на \(4\).
Пусть \(t\) — абсолютная величина чётной координаты. Поскольку \(t^2\le1009<32^2\), \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] Квадрат другой координаты должен быть равен \(1009-t^2\). Следующая проверка всех случаев оставляет лишь одну возможность:
| \(t\) | Проверка \(1009-t^2\) |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
Таким образом, \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] Поскольку \(a,b>0\), имеем \(x,y\ge-21\), поэтому координата с абсолютной величиной \(28\) должна быть равна \(28\). Другая координата может быть равна \(15\) или \(-15\). Прибавляя \(22\), получаем в точности \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
Для каждой из этих пар \(a^2+b^2=44(a+b)+41\), а \(a+b\) равно либо \(57\), либо \(87\). Следовательно, \(41<a+b\), так что частное и остаток действительно равны \(44\) и \(41\), причём \[ 44^2+41=1977. \] Все четыре пары удовлетворяют требованиям.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1977 · المسألة 5
ليكن \(a\) و\(b\) عددين صحيحين موجبين. عند قسمة \(a^2+b^2\) على \(a+b\)، يكون خارج القسمة \(q\) والباقي \(r\). أوجد جميع الأزواج \((a,b)\) التي تحقق \(q^2+r=1977\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{(a,b)\in\{(7,50),(37,50),(50,7),(50,37)\}.} \]
الحل
وفقًا لخوارزمية القسمة، \[ a^2+b^2=q(a+b)+r,\qquad 0\le r<a+b. \] نضع \(s=a+b\). بما أن \(a^2+b^2\ge s^2/2\)، فإن \[ \frac{s^2}{2}\le qs+r<(q+1)s. \] إذن \(s<2q+2\). ولأن جميع الكميات أعداد صحيحة، فإن \[ s\le2q+1,\qquad r\le s-1\le2q. \] وبناءً عليه، \[ q^2\le1977=q^2+r\le q^2+2q<(q+1)^2. \] وبما أن \(44^2=1936<1977<2025=45^2\)، فلا بد أن يكون \[ q=44,\qquad r=41. \]
وعليه، تصبح معادلة القسمة \[ a^2+b^2=44(a+b)+41, \] أو، بعد إكمال المربعين، \[ (a-22)^2+(b-22)^2=1009. \] نكتب \(x=a-22\) و\(y=b-22\). بواقي المربعات بترديد \(8\) هي \(0,1,4\)، ولدينا \(1009\equiv1\pmod8\). ومن ثم فإن أحد العددين \(x,y\) فردي والآخر يقبل القسمة على \(4\).
ليكن \(t\) القيمة المطلقة للإحداثي الزوجي. بما أن \(t^2\le1009<32^2\)، فإن \[ t\in\{0,4,8,12,16,20,24,28\}. \] يجب أن يكون مربع الإحداثي الآخر \(1009-t^2\). والفحص الشامل الآتي لا يُبقي إلا احتمالًا واحدًا:
| \(t\) | فحص \(1009-t^2\) |
|---|---|
| \(0\) | \(31^2<1009<32^2\) |
| \(4\) | \(31^2<993<32^2\) |
| \(8\) | \(30^2<945<31^2\) |
| \(12\) | \(29^2<865<30^2\) |
| \(16\) | \(27^2<753<28^2\) |
| \(20\) | \(24^2<609<25^2\) |
| \(24\) | \(20^2<433<21^2\) |
| \(28\) | \(225=15^2\) |
إذن \[ \{|x|,|y|\}=\{28,15\}. \] ولأن \(a,b>0\)، فإن \(x,y\ge-21\)، لذا يجب أن يكون الإحداثي ذو القيمة المطلقة \(28\) مساويًا لـ\(28\). أما الإحداثي الآخر فيمكن أن يكون \(15\) أو \(-15\). وبإضافة \(22\) نحصل على الأزواج الآتية بالضبط \[ (50,37),\quad(50,7),\quad(37,50),\quad(7,50). \]
لكل زوج من هذه الأزواج، لدينا \(a^2+b^2=44(a+b)+41\)، و\(a+b\) يساوي إما \(57\) أو \(87\). لذلك \(41<a+b\)، فيكون خارج القسمة والباقي بالفعل \(44\) و\(41\)، مع \[ 44^2+41=1977. \] تحقق الأزواج الأربعة جميعها الشروط المطلوبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).