IMO 1978 · Problem 1
\(m\) and \(n\) are natural numbers with \(1 \le m < n\). In their decimal representations, the last three digits of \(1978^m\) are equal, respectively, to the last three digits of \(1978^n\). Find \(m\) and \(n\) such that \(m+n\) has its least value.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
Solution
Put \(d=n-m>0\). The last three digits agree exactly when \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] Since \(1000=8\cdot125\) and \(8,125\) are relatively prime, we consider these two factors separately.
As \(1978=2\cdot989\) and \(1978^d-1\) is odd, the difference contains exactly \(m\) factors of \(2\). Thus it is divisible by \(8\) exactly when \[ m\ge3. \] Also, \(1978\) is relatively prime to \(125\), so divisibility by \(125\) is equivalent to \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] We prove that this holds exactly when \(100\mid d\).
First, reduction modulo \(5\) gives \(3^d\equiv1\pmod5\). The successive powers of \(3\) modulo \(5\) repeat as \(3,4,2,1\), so \(4\mid d\). Write \(d=4k\). Calculating modulo \(125\), \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] Consequently, \(6^k\equiv1\pmod{125}\). By the binomial theorem, \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] Hence \(5\mid k\), so write \(k=5t\). Since \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] we obtain \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] Therefore \(5\mid t\), proving \(100\mid d\).
Conversely, the same calculations give \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] so every positive multiple of \(100\) satisfies the required congruence.
Thus the original condition holds exactly when \(m\ge3\) and \(n-m\) is a positive multiple of \(100\). Therefore \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] Equality is attained precisely at \(m=3\) and \(n=103\), as claimed.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1978 · Aufgabe 1
\(m\) und \(n\) sind natürliche Zahlen mit \(1 \le m < n\). In ihren Dezimaldarstellungen stimmen die letzten drei Ziffern von \(1978^m\) jeweils mit den letzten drei Ziffern von \(1978^n\) überein. Bestimme \(m\) und \(n\) so, dass \(m+n\) seinen kleinsten Wert annimmt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
Lösung
Setze \(d=n-m>0\). Die letzten drei Ziffern stimmen genau dann überein, wenn \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] Da \(1000=8\cdot125\) gilt und \(8,125\) teilerfremd sind, betrachten wir diese beiden Faktoren getrennt.
Da \(1978=2\cdot989\) gilt und \(1978^d-1\) ungerade ist, enthält die Differenz genau \(m\) Faktoren \(2\). Somit ist sie genau dann durch \(8\) teilbar, wenn \[ m\ge3. \] Außerdem ist \(1978\) teilerfremd zu \(125\), sodass die Teilbarkeit durch \(125\) äquivalent ist zu \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] Wir beweisen, dass dies genau dann gilt, wenn \(100\mid d\).
Zunächst ergibt die Reduktion modulo \(5\), dass \(3^d\equiv1\pmod5\). Die aufeinanderfolgenden Potenzen von \(3\) modulo \(5\) wiederholen sich in der Reihenfolge \(3,4,2,1\), also gilt \(4\mid d\). Schreibe \(d=4k\). Durch Rechnung modulo \(125\) erhalten wir \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] Folglich gilt \(6^k\equiv1\pmod{125}\). Nach dem binomischen Lehrsatz ist \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] Daher gilt \(5\mid k\); wir schreiben also \(k=5t\). Wegen \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125} \] erhalten wir \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] Somit gilt \(5\mid t\), womit \(100\mid d\) bewiesen ist.
Umgekehrt ergeben dieselben Rechnungen \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] also erfüllt jedes positive Vielfache von \(100\) die geforderte Kongruenz.
Die ursprüngliche Bedingung gilt somit genau dann, wenn \(m\ge3\) gilt und \(n-m\) ein positives Vielfaches von \(100\) ist. Daher ist \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] Gleichheit wird genau für \(m=3\) und \(n=103\) erreicht, wie behauptet.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1978 · Soru 1
\(m\) ve \(n\), \(1 \le m < n\) koşulunu sağlayan doğal sayılardır. Onluk gösterimlerinde, \(1978^m\) sayısının son üç basamağı, sırasıyla \(1978^n\) sayısının son üç basamağına eşittir. \(m+n\) toplamının en küçük değerini aldığı \(m\) ve \(n\) sayılarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
Çözüm
\(d=n-m>0\) olsun. Son üç basamağın aynı olması için gerek ve yeter koşul \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1) \] olmasıdır. \(1000=8\cdot125\) olduğundan ve \(8,125\) aralarında asal olduğundan, bu iki çarpanı ayrı ayrı ele alalım.
\(1978=2\cdot989\) ve \(1978^d-1\) tek olduğundan, farkın asal çarpanlarına ayrılışında tam olarak \(m\) tane \(2\) çarpanı vardır. Dolayısıyla farkın \(8\) ile bölünebilmesi için gerek ve yeter koşul \[ m\ge3 \] olmasıdır. Ayrıca, \(1978\) ile \(125\) aralarında asal olduğundan, \(125\) ile bölünebilme koşulu \[ 1978^d\equiv1\pmod{125} \] koşuluna denktir. Bunun ancak ve ancak \(100\mid d\) olduğunda sağlandığını kanıtlayalım.
Önce, modulo \(5\) alındığında \(3^d\equiv1\pmod5\) elde edilir. \(3\) sayısının modulo \(5\)'te ardışık kuvvetleri \(3,4,2,1\) biçiminde tekrarlandığından \(4\mid d\) olur. \(d=4k\) yazalım. Modulo \(125\)'te hesaplayarak \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6 \] elde ederiz. Buna göre \(6^k\equiv1\pmod{125}\) olur. Binom teoreminden \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25} \] elde edilir. Dolayısıyla \(5\mid k\) olur; bu yüzden \(k=5t\) yazalım. \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] olduğundan \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125} \] elde ederiz. O hâlde \(5\mid t\) olur; böylece \(100\mid d\) kanıtlanır.
Tersine, aynı hesaplamalar \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] sonucunu verir; dolayısıyla \(100\) sayısının her pozitif katı istenen denkliği sağlar.
Böylece başlangıçtaki koşul, ancak ve ancak \(m\ge3\) olduğunda ve \(n-m\), \(100\) sayısının pozitif bir katı olduğunda sağlanır. Dolayısıyla \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] Eşitlik, iddia edildiği gibi, yalnızca \(m=3\) ve \(n=103\) için sağlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1978 · Problema 1
\(m\) y \(n\) son números naturales con \(1 \le m < n\). En sus representaciones decimales, las tres últimas cifras de \(1978^m\) son iguales, respectivamente, a las tres últimas cifras de \(1978^n\). Hallar \(m\) y \(n\) de modo que \(m+n\) tenga el menor valor posible.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
Solución
Sea \(d=n-m>0\). Las tres últimas cifras coinciden si y solo si \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] Como \(1000=8\cdot125\) y \(8,125\) son primos entre sí, consideramos estos dos factores por separado.
Como \(1978=2\cdot989\) y \(1978^d-1\) es impar, la diferencia contiene exactamente \(m\) factores de \(2\). Por tanto, es divisible por \(8\) si y solo si \[ m\ge3. \] Además, \(1978\) es primo con \(125\), por lo que la divisibilidad por \(125\) equivale a \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] Demostraremos que esto se cumple si y solo si \(100\mid d\).
En primer lugar, al reducir módulo \(5\) obtenemos \(3^d\equiv1\pmod5\). Las potencias sucesivas de \(3\) módulo \(5\) se repiten como \(3,4,2,1\), de modo que \(4\mid d\). Escribamos \(d=4k\). Calculando módulo \(125\), \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] En consecuencia, \(6^k\equiv1\pmod{125}\). Por el teorema del binomio, \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] Por tanto, \(5\mid k\), así que escribimos \(k=5t\). Como \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] obtenemos \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] Por consiguiente, \(5\mid t\), lo que demuestra que \(100\mid d\).
Recíprocamente, los mismos cálculos dan \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] por lo que todo múltiplo positivo de \(100\) satisface la congruencia requerida.
Así pues, la condición original se cumple si y solo si \(m\ge3\) y \(n-m\) es un múltiplo positivo de \(100\). Por tanto, \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] La igualdad se alcanza precisamente para \(m=3\) y \(n=103\), como se afirmó.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1978 · 问题 1
\(m\) 和 \(n\) 是满足 \(1 \le m < n\) 的自然数。在十进制表示中,\(1978^m\) 的末三位数字分别与 \(1978^n\) 的末三位数字相同。求使 \(m+n\) 取得最小值的 \(m\) 和 \(n\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
解答
令 \(d=n-m>0\)。末三位数字相同当且仅当 \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] 由于 \(1000=8\cdot125\),且 \(8,125\) 互素,我们分别考察这两个因数。
由于 \(1978=2\cdot989\),且 \(1978^d-1\) 为奇数,这个差恰好含有 \(m\) 个因子 \(2\)。因此,它能被 \(8\) 整除当且仅当 \[ m\ge3. \] 此外,\(1978\) 与 \(125\) 互素,所以这个差能被 \(125\) 整除等价于 \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] 下面证明,这成立当且仅当 \(100\mid d\)。
首先,模 \(5\) 考察可得 \(3^d\equiv1\pmod5\)。\(3\) 的各次幂模 \(5\) 的余数按 \(3,4,2,1\) 循环,因此 \(4\mid d\)。设 \(d=4k\)。模 \(125\) 计算,得 \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] 所以,\(6^k\equiv1\pmod{125}\)。由二项式定理, \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] 于是 \(5\mid k\),故设 \(k=5t\)。由于 \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] 可得 \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] 因此 \(5\mid t\),从而证明了 \(100\mid d\)。
反过来,由同样的计算可得 \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] 所以 \(100\) 的每个正整数倍都满足所要求的同余式。
综上,原条件成立当且仅当 \(m\ge3\),且 \(n-m\) 是 \(100\) 的正整数倍。因此 \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] 等号恰在 \(m=3\)、\(n=103\) 时成立,结论得证。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1978 · Задача 1
\(m\) и \(n\) — натуральные числа, причём \(1 \le m < n\). В десятичных записях чисел \(1978^m\) и \(1978^n\) последние три цифры соответственно совпадают. Найдите \(m\) и \(n\), при которых сумма \(m+n\) принимает наименьшее значение.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
Решение
Положим \(d=n-m>0\). Последние три цифры совпадают тогда и только тогда, когда \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] Поскольку \(1000=8\cdot125\) и числа \(8,125\) взаимно просты, рассмотрим делимость на каждый из этих двух множителей отдельно.
Так как \(1978=2\cdot989\), а число \(1978^d-1\) нечётно, разность содержит ровно \(m\) множителей \(2\). Поэтому она делится на \(8\) тогда и только тогда, когда \[ m\ge3. \] Кроме того, \(1978\) взаимно просто с \(125\), поэтому делимость на \(125\) равносильна сравнению \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] Докажем, что это сравнение выполняется тогда и только тогда, когда \(100\mid d\).
Сначала, переходя к сравнению по модулю \(5\), получаем \(3^d\equiv1\pmod5\). Последовательные степени числа \(3\) по модулю \(5\) циклически принимают значения \(3,4,2,1\), поэтому \(4\mid d\). Запишем \(d=4k\). Вычисляя по модулю \(125\), получаем \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] Следовательно, \(6^k\equiv1\pmod{125}\). По биному Ньютона \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] Отсюда \(5\mid k\), поэтому запишем \(k=5t\). Поскольку \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] получаем \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] Следовательно, \(5\mid t\), что доказывает \(100\mid d\).
Обратно, те же вычисления дают \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] поэтому любое положительное число, кратное \(100\), удовлетворяет требуемому сравнению.
Итак, исходное условие выполняется тогда и только тогда, когда \(m\ge3\), а \(n-m\) — положительное число, кратное \(100\). Поэтому \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] Равенство достигается в точности при \(m=3\) и \(n=103\), что и требовалось найти.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1978 · المسألة 1
ليكن \(m\) و\(n\) عددين طبيعيين بحيث \(1 \le m < n\). في التمثيل العشري للعددين \(1978^m\) و\(1978^n\)، تتساوى الأرقام الثلاثة الأخيرة على الترتيب. أوجد \(m\) و\(n\) بحيث تكون قيمة \(m+n\) أصغر ما يمكن.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{m=3,\qquad n=103,\qquad \min(m+n)=106.} \]
الحل
نضع \(d=n-m>0\). تتطابق الأرقام الثلاثة الأخيرة إذا وفقط إذا كان \[ 1000\mid 1978^n-1978^m =1978^m(1978^d-1). \] بما أن \(1000=8\cdot125\) وأن \(8,125\) أوليان فيما بينهما، ننظر في هذين العاملين كلٍّ على حدة.
بما أن \(1978=2\cdot989\) وأن \(1978^d-1\) فردي، فإن الفرق يحتوي على \(m\) عوامل من \(2\) بالضبط. ومن ثم فهو يقبل القسمة على \(8\) إذا وفقط إذا كان \[ m\ge3. \] كذلك، فإن \(1978\) أولي مع \(125\)، ولذلك فإن قابلية القسمة على \(125\) تكافئ \[ 1978^d\equiv1\pmod{125}. \] نثبت أن هذا يتحقق إذا وفقط إذا كان \(100\mid d\).
أولًا، بالاختزال بترديد \(5\) نحصل على \(3^d\equiv1\pmod5\). تتكرر قوى \(3\) المتتالية بترديد \(5\) وفق النمط \(3,4,2,1\)، ومن ثم \(4\mid d\). نكتب \(d=4k\). وبالحساب بترديد \(125\)، نحصل على \[ 1978\equiv103,\qquad 1978^2\equiv109,\qquad 1978^4\equiv6. \] وعليه، فإن \(6^k\equiv1\pmod{125}\). وبحسب نظرية ذات الحدين، \[ 6^k=(1+5)^k\equiv1+5k\pmod{25}. \] إذن \(5\mid k\)، فنكتب \(k=5t\). وبما أن \[ 6^5=7776\equiv26\pmod{125}, \] فإننا نحصل على \[ 1\equiv6^{5t}\equiv26^t =(1+25)^t\equiv1+25t\pmod{125}. \] إذن \(5\mid t\)، وبذلك يثبت أن \(100\mid d\).
وبالعكس، تعطينا الحسابات نفسها \[ 1978^{100}\equiv6^{25}\equiv26^5 =(1+25)^5\equiv1\pmod{125}, \] ومن ثم فإن كل مضاعف موجب للعدد \(100\) يحقق التطابق المطلوب.
وهكذا، يتحقق الشرط الأصلي إذا وفقط إذا كان \(m\ge3\) وكان \(n-m\) مضاعفًا موجبًا للعدد \(100\). لذلك \[ m+n=2m+(n-m)\ge2\cdot3+100=106. \] وتتحقق المساواة تحديدًا عند \(m=3\) و\(n=103\)، كما ادعينا.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).