IMO 1978 · Problem 3
The set of all positive integers is the union of two disjoint subsets \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\), \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\) where \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] and \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ for all }n\geq1. \] Determine \(f(240)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
Solution
First, count the positive integers strictly less than \(g(n)\). Since \[ g(n)-1=f(f(n)), \] exactly \(f(n)\) of them belong to the \(f\)-sequence, and exactly \(n-1\) belong to the \(g\)-sequence. The two sequences partition the positive integers, so \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] and therefore \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
There is at most one pair of strictly increasing complementary sequences satisfying this last identity. Indeed, for every \(n\), \(f(n)\) must be the smallest positive integer absent from \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\}. \] To see this, \(f(n)\) itself is absent by strict increase and disjointness. Every smaller positive integer is either an earlier \(f\)-term or a \(g\)-term; and it must be an earlier \(g\)-term because \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] Thus the displayed rule determines \(f(n)\) from the earlier pairs, after which \(g(n)=f(n)+n\) determines \(g(n)\). Starting with \(f(1)=1\), uniqueness follows by induction.
We now construct this pair. Put \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] Since \(\alpha^2=\alpha+1\), we have \[ G(n)=F(n)+n. \] Both sequences are strictly increasing, because \(\alpha>1\) and \(\alpha^2>1\).
It remains to prove that their ranges partition the positive integers. For any integer \(m\geq0\), the number of terms of \(F\) not exceeding \(m\) is \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] since the condition is equivalent to \(n<(m+1)/\alpha\), whose right-hand side is irrational. Similarly, the corresponding number for \(G\) is \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] But \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] Consequently, the two irrational numbers inside these floors sum to the integer \(m+1\), so their floors sum to \(m\). Hence there are exactly \(m\) occurrences, counted across both sequences, of integers at most \(m\).
For each \(m\geq1\), subtracting the total count at \(m-1\) from that at \(m\) shows that \(m\) occurs exactly once. Thus \(F\) and \(G\) are complementary. By the uniqueness proved above, \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
Finally, \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] Since \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] we obtain \(388<240\alpha<389\). Therefore \[ \boxed{f(240)=388}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1978 · Aufgabe 3
Die Menge aller positiven ganzen Zahlen ist die Vereinigung zweier disjunkter Teilmengen \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\), \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\), wobei \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] und \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ für alle }n\geq1. \] Bestimme \(f(240)\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
Lösung
Zählen wir zunächst die positiven ganzen Zahlen, die echt kleiner als \(g(n)\) sind. Wegen \[ g(n)-1=f(f(n)), \] gehören genau \(f(n)\) davon zur \(f\)-Folge und genau \(n-1\) zur \(g\)-Folge. Die beiden Folgen zerlegen die positiven ganzen Zahlen, also gilt \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] und daher \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
Es gibt höchstens ein Paar streng monoton wachsender komplementärer Folgen, das diese letzte Identität erfüllt. Tatsächlich muss für jedes \(n\) die Zahl \(f(n)\) die kleinste positive ganze Zahl sein, die nicht in \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\} \] enthalten ist. Um dies einzusehen, bemerken wir zunächst, dass \(f(n)\) selbst aufgrund der strengen Monotonie und der Disjunktheit nicht enthalten ist. Jede kleinere positive ganze Zahl ist entweder ein früheres Glied der \(f\)-Folge oder ein Glied der \(g\)-Folge; im letzteren Fall muss sie ein früheres Glied der \(g\)-Folge sein, denn \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] Somit bestimmt die angegebene Regel \(f(n)\) aus den früheren Paaren, wonach \(g(n)=f(n)+n\) den Wert von \(g(n)\) bestimmt. Ausgehend von \(f(1)=1\) folgt die Eindeutigkeit durch Induktion.
Wir konstruieren nun dieses Paar. Setze \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] Wegen \(\alpha^2=\alpha+1\) gilt \[ G(n)=F(n)+n. \] Beide Folgen sind streng monoton wachsend, da \(\alpha>1\) und \(\alpha^2>1\).
Es bleibt zu beweisen, dass ihre Wertemengen die positiven ganzen Zahlen zerlegen. Für jede ganze Zahl \(m\geq0\) ist die Anzahl der Glieder von \(F\), die höchstens \(m\) sind, gleich \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] denn die Bedingung ist äquivalent zu \(n<(m+1)/\alpha\), wobei die rechte Seite irrational ist. Entsprechend ist die zugehörige Anzahl für \(G\) gleich \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] Es gilt jedoch \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] Folglich ist die Summe der beiden irrationalen Zahlen innerhalb dieser Gaußklammern die ganze Zahl \(m+1\), sodass die Summe ihrer ganzzahligen Anteile \(m\) ist. Somit kommen in beiden Folgen zusammen genau \(m\) Glieder vor, deren Werte ganze Zahlen höchstens \(m\) sind.
Subtrahiert man für jedes \(m\geq1\) die Gesamtanzahl bis \(m-1\) von der Gesamtanzahl bis \(m\), so zeigt sich, dass \(m\) genau einmal vorkommt. Somit sind \(F\) und \(G\) komplementär. Nach der oben bewiesenen Eindeutigkeit gilt \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
Schließlich ist \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] Wegen \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] erhalten wir \(388<240\alpha<389\). Daher ist \[ \boxed{f(240)=388}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1978 · Soru 3
Tüm pozitif tam sayıların kümesi, ayrık iki alt küme olan \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\), \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\) kümelerinin birleşimidir; burada \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] ve \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ tüm }n\geq1 \] için geçerlidir. \(f(240)\) değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
Çözüm
Önce, \(g(n)\)'den küçük pozitif tam sayıları sayalım. \[ g(n)-1=f(f(n)), \] olduğundan, bunların tam olarak \(f(n)\) tanesi \(f\) dizisine, tam olarak \(n-1\) tanesi de \(g\) dizisine aittir. İki dizi pozitif tam sayıları ayrık olarak kapsadığından \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] ve dolayısıyla \[ \boxed{g(n)=f(n)+n} \] elde edilir.
Bu son özdeşliği sağlayan, kesin artan ve birbirini tamamlayan en fazla bir dizi çifti vardır. Gerçekten de her \(n\) için \(f(n)\), \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\} \] kümesinde bulunmayan en küçük pozitif tam sayı olmalıdır. Bunu görmek için, kesin artanlık ve ayrıklık nedeniyle \(f(n)\)'nin kendisinin bu kümede bulunmadığına dikkat edelim. Daha küçük her pozitif tam sayı ya daha önceki bir \(f\) terimi ya da bir \(g\) terimidir; ayrıca \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n) \] olduğundan, bir \(g\) terimi ise daha önceki bir \(g\) terimi olmalıdır. Böylece verilen kural, önceki çiftlerden \(f(n)\)'yi belirler; ardından \(g(n)=f(n)+n\) eşitliği \(g(n)\)'yi belirler. \(f(1)=1\) ile başlayarak tümevarımla teklik elde edilir.
Şimdi bu çifti oluşturalım. \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor \] olarak tanımlayalım. \(\alpha^2=\alpha+1\) olduğundan \[ G(n)=F(n)+n \] olur. \(\alpha>1\) ve \(\alpha^2>1\) olduğundan, her iki dizi de kesin artandır.
Geriye, bu dizilerin değer kümelerinin pozitif tam sayıları ayrık olarak kapsadığını kanıtlamak kalır. Herhangi bir \(m\geq0\) tam sayısı için, \(F\) dizisinin \(m\)'yi aşmayan terimlerinin sayısı \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] olur; çünkü koşul, sağ tarafı irrasyonel olan \(n<(m+1)/\alpha\) eşitsizliğine denktir. Benzer biçimde, \(G\) için karşılık gelen sayı \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor \] olur. Öte yandan \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] Dolayısıyla bu tam kısım ifadelerinin içindeki iki irrasyonel sayının toplamı \(m+1\) tam sayısına eşittir; bu nedenle tam kısımlarının toplamı \(m\)'dir. O hâlde her iki dizideki tekrarlar ayrı ayrı sayıldığında, \(m\)'yi aşmayan tam sayılar toplamda tam olarak \(m\) kez yer alır.
Her \(m\geq1\) için, \(m\)'deki toplam sayıdan \(m-1\)'deki toplam sayıyı çıkarmak, \(m\)'nin tam olarak bir kez yer aldığını gösterir. Böylece \(F\) ve \(G\) birbirini tamamlar. Yukarıda kanıtlanan teklikten \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor \] elde edilir.
Son olarak, \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] olduğundan \(388<240\alpha<389\) elde ederiz. Dolayısıyla \[ \boxed{f(240)=388}. \]
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1978 · Problema 3
El conjunto de todos los enteros positivos es la unión de dos subconjuntos disjuntos \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\), \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\), donde \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] y \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ para todo }n\geq1. \] Determinar \(f(240)\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
Solución
En primer lugar, contemos los enteros positivos estrictamente menores que \(g(n)\). Como \[ g(n)-1=f(f(n)), \] exactamente \(f(n)\) de ellos pertenecen a la sucesión \(f\), y exactamente \(n-1\) pertenecen a la sucesión \(g\). Las dos sucesiones forman una partición de los enteros positivos, por lo que \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] y, por tanto, \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
Existe a lo sumo un par de sucesiones complementarias estrictamente crecientes que satisfagan esta última identidad. En efecto, para cada \(n\), \(f(n)\) debe ser el menor entero positivo que no pertenece a \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\}. \] Para verlo, el propio \(f(n)\) no pertenece a este conjunto por el crecimiento estricto y la disjunción. Todo entero positivo menor es un término anterior de \(f\) o un término de \(g\); y debe ser un término anterior de \(g\), pues \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] Así pues, la regla indicada determina \(f(n)\) a partir de los pares anteriores, tras lo cual \(g(n)=f(n)+n\) determina \(g(n)\). Partiendo de \(f(1)=1\), la unicidad se sigue por inducción.
Construyamos ahora este par. Pongamos \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] Como \(\alpha^2=\alpha+1\), tenemos \[ G(n)=F(n)+n. \] Ambas sucesiones son estrictamente crecientes, pues \(\alpha>1\) y \(\alpha^2>1\).
Queda por demostrar que sus conjuntos de valores forman una partición de los enteros positivos. Para cualquier entero \(m\geq0\), el número de términos de \(F\) que no superan \(m\) es \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] pues la condición equivale a \(n<(m+1)/\alpha\), cuyo miembro derecho es irracional. Análogamente, el número correspondiente para \(G\) es \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] Pero \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] En consecuencia, los dos números irracionales dentro de estas partes enteras suman el entero \(m+1\), por lo que sus partes enteras suman \(m\). Por tanto, contando ambas sucesiones, hay exactamente \(m\) apariciones de enteros que no superan \(m\).
Para cada \(m\geq1\), al restar el recuento total hasta \(m-1\) del recuento total hasta \(m\), se deduce que \(m\) aparece exactamente una vez. Así pues, \(F\) y \(G\) son complementarias. Por la unicidad demostrada anteriormente, \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
Finalmente, \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] Como \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] obtenemos \(388<240\alpha<389\). Por tanto, \[ \boxed{f(240)=388}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1978 · 问题 3
所有正整数构成的集合是两个不相交子集 \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\)、\(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\) 的并,其中 \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] 且 \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ 对所有 }n\geq1. \] 求 \(f(240)\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
解答
首先,计算严格小于 \(g(n)\) 的正整数的个数。由于 \[ g(n)-1=f(f(n)), \] 其中恰有 \(f(n)\) 个属于 \(f\) 数列,恰有 \(n-1\) 个属于 \(g\) 数列。这两个数列将正整数集划分为两部分,因此 \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] 从而 \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
满足这个等式的严格递增互补数列至多有一对。事实上,对于每个 \(n\),\(f(n)\) 必须是不在集合 \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\} \] 中的最小正整数。为说明这一点,由严格递增性和不相交性,\(f(n)\) 本身不在这个集合中。每个比它小的正整数或者是前面的某个 \(f\) 项,或者是某个 \(g\) 项;而在后一种情形下,它必定是前面的某个 \(g\) 项,因为 \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] 因此,上述规则由前面的各对数值确定 \(f(n)\),随后由 \(g(n)=f(n)+n\) 确定 \(g(n)\)。从 \(f(1)=1\) 出发,利用归纳法即得唯一性。
现在构造这对数列。令 \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] 由于 \(\alpha^2=\alpha+1\),有 \[ G(n)=F(n)+n. \] 因为 \(\alpha>1\) 且 \(\alpha^2>1\),这两个数列都严格递增。
还需证明它们的值域将正整数集划分为两部分。对于任意整数 \(m\geq0\),\(F\) 中不超过 \(m\) 的项数为 \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] 因为该条件等价于 \(n<(m+1)/\alpha\),且右端为无理数。类似地,\(G\) 中相应的项数为 \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] 而 \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] 所以,这两个取整符号内的无理数之和为整数 \(m+1\),故它们的整数部分之和为 \(m\)。因此,在这两个数列中合计,不超过 \(m\) 的整数恰好出现 \(m\) 次。
对于每个 \(m\geq1\),用不超过 \(m\) 的总次数减去不超过 \(m-1\) 的总次数,可知 \(m\) 恰好出现一次。因此,\(F\) 和 \(G\) 互补。由上面证明的唯一性, \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
最后, \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] 由于 \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] 可得 \(388<240\alpha<389\)。因此 \[ \boxed{f(240)=388}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1978 · Задача 3
Множество всех положительных целых чисел является объединением двух непересекающихся подмножеств \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\), \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\), где \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] и \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ для всех }n\geq1. \] Найдите \(f(240)\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
Решение
Сначала подсчитаем положительные целые числа, строго меньшие \(g(n)\). Поскольку \[ g(n)-1=f(f(n)), \] ровно \(f(n)\) из них принадлежат последовательности \(f\), а ровно \(n-1\) — последовательности \(g\). Эти две последовательности образуют разбиение множества положительных целых чисел, поэтому \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] а значит, \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
Существует не более одной пары строго возрастающих последовательностей, образующих разбиение множества положительных целых чисел и удовлетворяющих последнему равенству. Действительно, для каждого \(n\) число \(f(n)\) должно быть наименьшим положительным целым числом, не входящим в множество \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\}. \] Чтобы убедиться в этом, заметим, что само \(f(n)\) не входит в это множество в силу строгого возрастания и непересечения последовательностей. Любое меньшее положительное целое число является либо более ранним членом последовательности \(f\), либо членом последовательности \(g\); причём во втором случае оно должно быть более ранним членом последовательности \(g\), поскольку \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] Таким образом, указанное правило определяет \(f(n)\) по предыдущим парам, после чего равенство \(g(n)=f(n)+n\) определяет \(g(n)\). Начиная с \(f(1)=1\), по индукции получаем единственность.
Теперь построим эту пару. Положим \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] Поскольку \(\alpha^2=\alpha+1\), имеем \[ G(n)=F(n)+n. \] Обе последовательности строго возрастают, поскольку \(\alpha>1\) и \(\alpha^2>1\).
Остаётся доказать, что множества их значений образуют разбиение множества положительных целых чисел. Для любого целого \(m\geq0\) число членов последовательности \(F\), не превосходящих \(m\), равно \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] поскольку условие равносильно неравенству \(n<(m+1)/\alpha\), правая часть которого иррациональна. Аналогично соответствующее число для \(G\) равно \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] Но \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] Следовательно, два иррациональных числа под знаками целой части в сумме дают целое число \(m+1\), поэтому сумма их целых частей равна \(m\). Значит, в обеих последовательностях вместе имеется ровно \(m\) вхождений чисел, не превосходящих \(m\).
Для каждого \(m\geq1\), вычитая общее число вхождений для \(m-1\) из общего числа вхождений для \(m\), видим, что \(m\) встречается ровно один раз. Таким образом, \(F\) и \(G\) образуют разбиение множества положительных целых чисел. По доказанной выше единственности \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
Наконец, \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] Поскольку \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] получаем \(388<240\alpha<389\). Следовательно, \[ \boxed{f(240)=388}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1978 · المسألة 3
مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة كلها هي اتحاد مجموعتين جزئيتين متباينتين \(\{f(1),f(2),\ldots,f(n),\ldots\}\)، \(\{g(1),g(2),\ldots,g(n),\ldots\}\)، حيث \[ f(1)<f(2)<\cdots<f(n)<\cdots, \] \[ g(1)<g(2)<\cdots<g(n)<\cdots, \] و \[ g(n)=f(f(n))+1\text{ لكل }n\geq1. \] أوجد \(f(240)\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{f(240)=388}. \]
الحل
أولًا، نعد الأعداد الصحيحة الموجبة الأصغر تمامًا من \(g(n)\). بما أن \[ g(n)-1=f(f(n)), \] فإن \(f(n)\) منها بالضبط تنتمي إلى المتتالية \(f\)، و\(n-1\) منها بالضبط تنتمي إلى المتتالية \(g\). تشكل المتتاليتان تجزئة للأعداد الصحيحة الموجبة، ومن ثم \[ g(n)-1=f(n)+n-1, \] وبالتالي \[ \boxed{g(n)=f(n)+n}. \]
يوجد على الأكثر زوج واحد من المتتاليات المتكاملة والمتزايدة تمامًا يحقق هذه المتطابقة الأخيرة. بالفعل، لكل \(n\)، يجب أن يكون \(f(n)\) أصغر عدد صحيح موجب لا ينتمي إلى \[ \{f(i),g(i):1\leq i<n\}. \] ولرؤية ذلك، فإن \(f(n)\) نفسه لا ينتمي إليها بسبب التزايد التام وتباين المجموعتين. وكل عدد صحيح موجب أصغر منه إما أن يكون حدًا سابقًا من \(f\) أو حدًا من \(g\)؛ وفي الحالة الثانية لا بد أن يكون حدًا سابقًا من \(g\)، لأن \[ g(i)=f(i)+i>f(n)\qquad(i\geq n). \] وهكذا تحدد القاعدة المذكورة \(f(n)\) انطلاقًا من الأزواج السابقة، وبعد ذلك تحدد \(g(n)=f(n)+n\) قيمة \(g(n)\). وبالبدء من \(f(1)=1\)، تنتج الوحدانية بالاستقراء.
ننشئ الآن هذا الزوج. نضع \[ \alpha=\frac{1+\sqrt5}{2},\qquad F(n)=\lfloor n\alpha\rfloor,\qquad G(n)=\lfloor n\alpha^2\rfloor. \] بما أن \(\alpha^2=\alpha+1\)، فإن لدينا \[ G(n)=F(n)+n. \] كلتا المتتاليتين متزايدتان تمامًا، لأن \(\alpha>1\) و\(\alpha^2>1\).
يبقى أن نثبت أن مجموعتي قيمهما تشكلان تجزئة للأعداد الصحيحة الموجبة. لأي عدد صحيح \(m\geq0\)، فإن عدد حدود \(F\) التي لا تتجاوز \(m\) هو \[ \#\{n\geq1:\lfloor n\alpha\rfloor\leq m\} =\left\lfloor\frac{m+1}{\alpha}\right\rfloor, \] لأن الشرط يكافئ \(n<(m+1)/\alpha\)، وطرفه الأيمن عدد غير نسبي. وبالمثل، فإن العدد المقابل بالنسبة إلى \(G\) هو \[ \left\lfloor\frac{m+1}{\alpha^2}\right\rfloor. \] لكن \[ \frac1\alpha+\frac1{\alpha^2}=1. \] وعليه، فإن مجموع العددين غير النسبيين داخل رمزي الجزء الصحيح هو العدد الصحيح \(m+1\)، ومن ثم فإن مجموع جزأيهما الصحيحين هو \(m\). إذن يوجد بالضبط \(m\) ظهورًا لأعداد صحيحة لا تتجاوز \(m\)، عند العد في كلتا المتتاليتين معًا.
لكل \(m\geq1\)، يبين طرح العدد الإجمالي عند \(m-1\) من العدد الإجمالي عند \(m\) أن \(m\) يظهر مرة واحدة بالضبط. وهكذا فإن \(F\) و\(G\) متكاملتان. وبحسب الوحدانية المثبتة أعلاه، \[ f(n)=\left\lfloor\frac{n(1+\sqrt5)}2\right\rfloor. \]
أخيرًا، \[ 240\alpha=120+120\sqrt5. \] بما أن \[ 268^2=71824<72000=(120\sqrt5)^2<72361=269^2, \] فإننا نحصل على \(388<240\alpha<389\). لذلك \[ \boxed{f(240)=388}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).