IMO 1981 · Problem 3
Determine the maximum value of \(m^3+n^3\), where \(m\) and \(n\) are integers satisfying \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) and \((n^2-mn-m^2)^2=1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The maximum is \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] attained uniquely at \((m,n)=(987,1597)\).
Solution
Write \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] The given equation is equivalent to \(Q(m,n)=\pm1\). We first classify all positive integer pairs satisfying this condition.
If \(n\le m\), then \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] Thus \(|Q(m,n)|=1\) forces \(m=1\), and consequently \(n=1\).
For any other solution, therefore, \(n>m\). The pair \[ (m',n')=(n-m,m) \] has positive integer coordinates and satisfies \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] It is another solution, with strictly smaller coordinate sum: \[ m'+n'=n<m+n. \] Repeating this transformation must eventually reach \((1,1)\), since a positive integer sum cannot decrease indefinitely.
The transformation has the unique inverse \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] Moreover, \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] so starting from \((1,1)\), every pair produced by this inverse transformation is indeed a solution. Hence all positive integer solutions are precisely \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] where \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
The successive Fibonacci numbers through the first one exceeding \(1981\) are \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] Thus the last admissible pair is \((987,1597)\): the next pair is \((1597,2584)\), which violates the bound.
Along these pairs neither coordinate decreases, and the second coordinate strictly increases. Therefore \(m^3+n^3\) strictly increases, so its unique maximum occurs at \((987,1597)\). Its value is \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1981 · Aufgabe 3
Bestimme den Maximalwert von \(m^3+n^3\), wobei \(m\) und \(n\) ganze Zahlen sind, die \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) und \((n^2-mn-m^2)^2=1\) erfüllen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Das Maximum ist \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] und wird nur für \((m,n)=(987,1597)\) angenommen.
Lösung
Wir setzen \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] Die gegebene Gleichung ist äquivalent zu \(Q(m,n)=\pm1\). Zunächst bestimmen wir alle Paare positiver ganzer Zahlen, die diese Bedingung erfüllen.
Falls \(n\le m\), gilt \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] Somit erzwingt \(|Q(m,n)|=1\) die Gleichheit \(m=1\) und folglich \(n=1\).
Für jede andere Lösung gilt daher \(n>m\). Das Paar \[ (m',n')=(n-m,m) \] hat positive ganzzahlige Koordinaten und erfüllt \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] Es ist eine weitere Lösung mit einer echt kleineren Koordinatensumme: \[ m'+n'=n<m+n. \] Durch wiederholte Anwendung dieser Transformation muss man schließlich \((1,1)\) erreichen, da eine positive ganzzahlige Summe nicht unbegrenzt abnehmen kann.
Die Transformation hat die eindeutige Umkehrabbildung \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] Außerdem gilt \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] sodass jedes Paar, das ausgehend von \((1,1)\) durch diese Umkehrtransformation erzeugt wird, tatsächlich eine Lösung ist. Somit sind alle positiven ganzzahligen Lösungen genau \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] wobei \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
Die aufeinanderfolgenden Fibonacci-Zahlen bis einschließlich der ersten, die \(1981\) übersteigt, sind \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] Das letzte zulässige Paar ist also \((987,1597)\): Das nächste Paar ist \((1597,2584)\) und überschreitet die Schranke.
In dieser Folge von Paaren nimmt keine der beiden Koordinaten ab, und die zweite Koordinate wächst streng. Daher wächst \(m^3+n^3\) streng, sodass sein Maximum nur bei \((987,1597)\) angenommen wird. Sein Wert ist \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1981 · Soru 3
\(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) ve \((n^2-mn-m^2)^2=1\) koşullarını sağlayan \(m\) ve \(n\) tam sayıları için \(m^3+n^3\) ifadesinin en büyük değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
En büyük değer \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] olup yalnızca \((m,n)=(987,1597)\) ikilisinde elde edilir.
Çözüm
\[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2 \] yazalım. Verilen denklem \(Q(m,n)=\pm1\) koşuluna denktir. Önce bu koşulu sağlayan tüm pozitif tam sayı ikililerini sınıflandıralım.
Eğer \(n\le m\) ise \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] Dolayısıyla \(|Q(m,n)|=1\) koşulu \(m=1\) olmasını, bunun sonucunda da \(n=1\) olmasını gerektirir.
Bu nedenle diğer tüm çözümler için \(n>m\) olur. \[ (m',n')=(n-m,m) \] ikilisinin bileşenleri pozitif tam sayılardır ve bu ikili \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n) \] eşitliğini sağlar. Bu da bileşenlerinin toplamı kesin olarak daha küçük olan başka bir çözümdür: \[ m'+n'=n<m+n. \] Pozitif bir tam sayı toplamı sonsuza dek azalamayacağından, bu dönüşüm tekrar tekrar uygulandığında sonunda mutlaka \((1,1)\) ikilisine ulaşılır.
Bu dönüşümün tek ters dönüşümü \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b) \] şeklindedir. Ayrıca, \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] olduğundan, \((1,1)\) ikilisinden başlayarak bu ters dönüşümle elde edilen her ikili gerçekten bir çözümdür. O hâlde tüm pozitif tam sayı çözümleri tam olarak \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] biçimindedir; burada \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
\(1981\)'i aşan ilk Fibonacci sayısına kadar ardışık Fibonacci sayıları şunlardır: \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] Dolayısıyla koşulları sağlayan son ikili \((987,1597)\)'dir: bir sonraki ikili \((1597,2584)\) olup verilen sınırı aşar.
Bu ikililer boyunca bileşenlerin hiçbiri azalmaz ve ikinci bileşen kesin olarak artar. Bu nedenle \(m^3+n^3\) kesin olarak artar; dolayısıyla en büyük değerini yalnızca \((987,1597)\) ikilisinde alır. Bu değer \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1981 · Problema 3
Determinar el valor máximo de \(m^3+n^3\), donde \(m\) y \(n\) son enteros que satisfacen \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) y \((n^2-mn-m^2)^2=1\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
El máximo es \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] y se alcanza únicamente en \((m,n)=(987,1597)\).
Solución
Escribamos \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] La ecuación dada equivale a \(Q(m,n)=\pm1\). Primero clasificaremos todos los pares de enteros positivos que satisfacen esta condición.
Si \(n\le m\), entonces \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] Así pues, \(|Q(m,n)|=1\) obliga a que \(m=1\) y, en consecuencia, \(n=1\).
Por tanto, para cualquier otra solución, \(n>m\). El par \[ (m',n')=(n-m,m) \] tiene coordenadas enteras positivas y satisface \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] Es otra solución, con una suma de coordenadas estrictamente menor: \[ m'+n'=n<m+n. \] Al repetir esta transformación se debe llegar finalmente a \((1,1)\), pues una suma entera positiva no puede disminuir indefinidamente.
La transformación tiene una única inversa, \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] Además, \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] por lo que, partiendo de \((1,1)\), todo par obtenido mediante esta transformación inversa es efectivamente una solución. Por tanto, todas las soluciones enteras positivas son precisamente \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] donde \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
Los números de Fibonacci sucesivos, hasta el primero que supera \(1981\), son \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] Así pues, el último par admisible es \((987,1597)\): el siguiente par es \((1597,2584)\), que no cumple la cota.
En esta sucesión de pares, ninguna de las coordenadas disminuye, y la segunda coordenada aumenta estrictamente. Por tanto, \(m^3+n^3\) aumenta estrictamente, de modo que su máximo se alcanza únicamente en \((987,1597)\). Su valor es \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1981 · 问题 3
求 \(m^3+n^3\) 的最大值,其中整数 \(m\) 和 \(n\) 满足 \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) 以及 \((n^2-mn-m^2)^2=1\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
最大值为 \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] 且仅在 \((m,n)=(987,1597)\) 时取得。
解答
记 \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] 所给方程等价于 \(Q(m,n)=\pm1\)。我们先确定满足此条件的所有正整数对。
若 \(n\le m\),则 \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] 因此,\(|Q(m,n)|=1\) 必使 \(m=1\),从而 \(n=1\)。
所以,对于其余任何一组解,都有 \(n>m\)。数对 \[ (m',n')=(n-m,m) \] 的两个分量都是正整数,并且满足 \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] 它也是一组解,且两个分量之和严格减小: \[ m'+n'=n<m+n. \] 反复进行此变换,最终必到达 \((1,1)\),因为正整数之和不可能无限递减。
此变换有唯一的逆变换 \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] 此外, \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] 所以从 \((1,1)\) 出发,通过此逆变换产生的每个数对确实都是解。因此,所有正整数解恰为 \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] 其中 \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
依次列出斐波那契数,直到第一个超过 \(1981\) 的数,得到 \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] 因此,最后一个符合条件的数对是 \((987,1597)\):下一个数对为 \((1597,2584)\),超出了所给范围。
在这些依次排列的数对中,两个分量都不减小,且第二个分量严格增大。因此 \(m^3+n^3\) 严格增大,所以仅在 \((987,1597)\) 处取得最大值。其值为 \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1981 · Задача 3
Найдите наибольшее значение \(m^3+n^3\), где \(m\) и \(n\) — целые числа, удовлетворяющие условиям \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) и \((n^2-mn-m^2)^2=1\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Наибольшее значение равно \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] и достигается только при \((m,n)=(987,1597)\).
Решение
Обозначим \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] Данное уравнение равносильно условию \(Q(m,n)=\pm1\). Сначала найдём все пары положительных целых чисел, удовлетворяющие этому условию.
Если \(n\le m\), то \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] Поэтому из \(|Q(m,n)|=1\) следует \(m=1\), а значит, и \(n=1\).
Таким образом, для любого другого решения \(n>m\). Пара \[ (m',n')=(n-m,m) \] имеет положительные целые координаты и удовлетворяет равенству \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] Это ещё одно решение, причём сумма его координат строго меньше: \[ m'+n'=n<m+n. \] Повторяя это преобразование, мы обязательно придём к \((1,1)\), поскольку положительная целая сумма не может уменьшаться бесконечно.
Преобразование имеет единственное обратное: \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] Кроме того, \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] поэтому, начиная с \((1,1)\), при каждом применении обратного преобразования мы действительно получаем решение. Следовательно, все решения в положительных целых числах — это в точности пары \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] где \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
Последовательные числа Фибоначчи до первого числа, превосходящего \(1981\), включительно имеют вид \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] Таким образом, последняя допустимая пара — \((987,1597)\): следующая пара \((1597,2584)\) нарушает заданное ограничение.
В этой последовательности пар ни одна из координат не убывает, а вторая координата строго возрастает. Поэтому \(m^3+n^3\) строго возрастает, и его наибольшее значение достигается только при \((987,1597)\). Оно равно \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1981 · المسألة 3
حدّد القيمة العظمى لـ \(m^3+n^3\)، حيث \(m\) و\(n\) عددان صحيحان يحققان \(m,n\in\{1,2,\ldots,1981\}\) و\((n^2-mn-m^2)^2=1\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
القيمة العظمى هي \[ \boxed{5\,034\,507\,976}, \] وتتحقق فقط عند \((m,n)=(987,1597)\).
الحل
نكتب \[ Q(m,n)=n^2-mn-m^2. \] المعادلة المعطاة تكافئ \(Q(m,n)=\pm1\). نصنّف أولًا جميع أزواج الأعداد الصحيحة الموجبة التي تحقق هذا الشرط.
إذا كان \(n\le m\)، فإن \[ Q(m,n)=n(n-m)-m^2\le -m^2. \] إذن يقتضي الشرط \(|Q(m,n)|=1\) أن \(m=1\)، وبالتالي \(n=1\).
وعليه، في أي حل آخر، يكون \(n>m\). والزوج \[ (m',n')=(n-m,m) \] ذو إحداثيين صحيحين موجبين، ويحقق \[ Q(m',n') =m^2-m(n-m)-(n-m)^2 =-Q(m,n). \] فهو حل آخر، ومجموع إحداثييه أصغر تمامًا: \[ m'+n'=n<m+n. \] ولا بد من أن يصل تكرار هذا التحويل في النهاية إلى \((1,1)\)، إذ لا يمكن لمجموع صحيح موجب أن يتناقص إلى ما لا نهاية.
للتحويل معكوس وحيد هو \[ (a,b)\longmapsto(b,a+b). \] وفضلًا عن ذلك، \[ Q(b,a+b)=-Q(a,b), \] لذا، بدءًا من \((1,1)\)، يكون كل زوج ينتج عن هذا التحويل العكسي حلًا بالفعل. ومن ثم فإن جميع الحلول الصحيحة الموجبة هي بالضبط \[ (m,n)=(F_k,F_{k+1})\qquad(k\ge1), \] حيث \[ F_1=F_2=1,\qquad F_{k+2}=F_{k+1}+F_k. \]
أعداد فيبوناتشي المتتالية حتى أول عدد يتجاوز \(1981\) هي \[ \begin{gathered} 1,1,2,3,5,8,13,21,34,55,89,144,\\ 233,377,610,987,1597,2584. \end{gathered} \] إذن آخر زوج مقبول هو \((987,1597)\): فالزوج التالي هو \((1597,2584)\)، وهو يخالف الحد المفروض.
عبر هذه الأزواج، لا يتناقص أي من الإحداثيين، ويزداد الإحداثي الثاني ازديادًا تامًا. ولذلك تزداد \(m^3+n^3\) ازديادًا تامًا، فتتحقق قيمتها العظمى فقط عند \((987,1597)\). وقيمتها هي \[ 987^3+1597^3 =961\,504\,803+4\,073\,003\,173 =\boxed{5\,034\,507\,976}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).