IMO 1979 · Problem 5
Find all real numbers \(a\) for which there exist non-negative real numbers \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) satisfying the relations \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
Solution
The first relation implies \(a\geq 0\), since all \(x_k\) are non-negative. If \(a=0\), all three relations hold with \(x_1=\cdots=x_5=0\).
Now suppose \(a>0\). Using the three given relations, we obtain \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] Every summand is non-negative, so each must be zero. Moreover, since \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\), some \(x_m>0\). For this index, \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] forces \(a=m^2\). Thus \(a\in\{1,4,9,16,25\}\).
Conversely, for any \(m\in\{1,2,3,4,5\}\), set \(a=m^2\), \(x_m=m\), and \(x_k=0\) for \(k\ne m\). Then \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] Hence every listed value is attainable, completing the proof.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1979 · Aufgabe 5
Bestimme alle reellen Zahlen \(a\), für die nichtnegative reelle Zahlen \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) existieren, welche die Beziehungen \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3 \] erfüllen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
Lösung
Aus der ersten Beziehung folgt \(a\geq 0\), da alle \(x_k\) nichtnegativ sind. Ist \(a=0\), so gelten alle drei Beziehungen mit \(x_1=\cdots=x_5=0\).
Nehmen wir nun an, dass \(a>0\). Mithilfe der drei gegebenen Beziehungen erhalten wir \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] Jeder Summand ist nichtnegativ, also muss jeder gleich null sein. Außerdem gilt wegen \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\) für ein \(m\), dass \(x_m>0\) ist. Für diesen Index erzwingt \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] die Gleichheit \(a=m^2\). Somit ist \(a\in\{1,4,9,16,25\}\).
Umgekehrt setzen wir für ein beliebiges \(m\in\{1,2,3,4,5\}\) die Werte \(a=m^2\), \(x_m=m\) und \(x_k=0\) für \(k\ne m\). Dann gilt \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] Damit ist jeder aufgeführte Wert erreichbar, und der Beweis ist abgeschlossen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1979 · Soru 5
Aşağıdaki bağıntıları sağlayan negatif olmayan \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) gerçel sayılarının var olduğu tüm \(a\) gerçel sayılarını bulunuz: \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
Çözüm
Tüm \(x_k\)'ler negatif olmadığından, ilk bağıntı \(a\geq 0\) olduğunu gösterir. Eğer \(a=0\) ise \(x_1=\cdots=x_5=0\) alınarak üç bağıntı da sağlanır.
Şimdi \(a>0\) olduğunu varsayalım. Verilen üç bağıntıyı kullanarak \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0 \end{aligned} \] elde ederiz. Toplamdaki her terim negatif olmadığından, her biri sıfır olmalıdır. Ayrıca, \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\) olduğundan, bir \(x_m>0\) vardır. Bu indis için \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] eşitliği \(a=m^2\) olmasını zorunlu kılar. Dolayısıyla \(a\in\{1,4,9,16,25\}\) olur.
Tersine, herhangi bir \(m\in\{1,2,3,4,5\}\) için \(a=m^2\), \(x_m=m\) ve \(k\ne m\) için \(x_k=0\) alalım. O zaman \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] Böylece listelenen her değer elde edilebilir ve kanıt tamamlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1979 · Problema 5
Hallar todos los números reales \(a\) para los que existen números reales no negativos \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) que satisfacen las relaciones \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
Solución
La primera relación implica que \(a\geq 0\), ya que todos los \(x_k\) son no negativos. Si \(a=0\), las tres relaciones se cumplen con \(x_1=\cdots=x_5=0\).
Supongamos ahora que \(a>0\). Utilizando las tres relaciones dadas, obtenemos \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] Todos los sumandos son no negativos, por lo que cada uno debe ser cero. Además, como \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\), existe algún \(x_m>0\). Para este índice, \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] obliga a que \(a=m^2\). Así pues, \(a\in\{1,4,9,16,25\}\).
Recíprocamente, para cualquier \(m\in\{1,2,3,4,5\}\), tomemos \(a=m^2\), \(x_m=m\) y \(x_k=0\) para \(k\ne m\). Entonces \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] Por tanto, se puede alcanzar cada uno de los valores enumerados, lo que completa la demostración.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1979 · 问题 5
求所有实数 \(a\),使得存在非负实数 \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) 满足关系式 \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
解答
由于所有 \(x_k\) 均非负,第一个关系式说明 \(a\geq 0\)。如果 \(a=0\),取 \(x_1=\cdots=x_5=0\),则三个关系式都成立。
现在设 \(a>0\)。利用给定的三个关系式,得到 \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] 每个加数都非负,所以它们都必须为零。此外,由于 \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\),存在某个 \(x_m>0\)。对于这个下标, \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] 迫使 \(a=m^2\)。因此 \(a\in\{1,4,9,16,25\}\)。
反过来,对于任意 \(m\in\{1,2,3,4,5\}\),令 \(a=m^2\)、\(x_m=m\),并对 \(k\ne m\) 令 \(x_k=0\)。则 \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] 因此,列出的每个值都可以取到,证明完毕。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1979 · Задача 5
Найдите все действительные числа \(a\), для которых существуют неотрицательные действительные числа \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\), удовлетворяющие соотношениям \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
Решение
Из первого соотношения следует \(a\geq 0\), поскольку все \(x_k\) неотрицательны. Если \(a=0\), то все три соотношения выполняются при \(x_1=\cdots=x_5=0\).
Теперь предположим, что \(a>0\). Используя три данных соотношения, получаем \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] Каждое слагаемое неотрицательно, поэтому каждое из них должно равняться нулю. Кроме того, поскольку \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\), найдётся \(x_m>0\). Для этого индекса из равенства \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] следует \(a=m^2\). Таким образом, \(a\in\{1,4,9,16,25\}\).
Обратно, для любого \(m\in\{1,2,3,4,5\}\) положим \(a=m^2\), \(x_m=m\) и \(x_k=0\) при \(k\ne m\). Тогда \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] Значит, каждое из перечисленных значений достигается, что завершает доказательство.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1979 · المسألة 5
أوجد جميع الأعداد الحقيقية \(a\) التي توجد من أجلها أعداد حقيقية غير سالبة \(x_1,x_2,x_3,x_4,x_5\) تحقق العلاقات \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=a^3. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{a\in\{0,1,4,9,16,25\}.} \]
الحل
تستلزم العلاقة الأولى أن \(a\geq 0\)، لأن جميع \(x_k\) غير سالبة. إذا كان \(a=0\)، فإن العلاقات الثلاث تتحقق باختيار \(x_1=\cdots=x_5=0\).
لنفترض الآن أن \(a>0\). باستخدام العلاقات الثلاث المعطاة، نحصل على \[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{5}kx_k(k^2-a)^2 &=\sum_{k=1}^{5}k^5x_k -2a\sum_{k=1}^{5}k^3x_k +a^2\sum_{k=1}^{5}kx_k\\ &=a^3-2a\cdot a^2+a^2\cdot a\\ &=0. \end{aligned} \] كل حد في هذا المجموع غير سالب، لذا يجب أن يكون كل منها صفرًا. علاوة على ذلك، بما أن \(\sum_{k=1}^{5}kx_k=a>0\)، فإن \(x_m>0\) لبعض \(m\). ولهذا الفهرس، فإن \[ mx_m(m^2-a)^2=0 \] تستلزم \(a=m^2\). إذن \(a\in\{1,4,9,16,25\}\).
وعكسًا، لأي \(m\in\{1,2,3,4,5\}\)، نضع \(a=m^2\)، و\(x_m=m\)، و\(x_k=0\) لكل \(k\ne m\). عندئذ \[ \sum_{k=1}^{5}kx_k=m^2=a,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^3x_k=m^4=a^2,\qquad \sum_{k=1}^{5}k^5x_k=m^6=a^3. \] إذن كل قيمة من القيم المذكورة ممكنة، وبذلك يكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).