IMO 1982 · Problem 3
Consider the infinite sequences \(\{x_n\}\) of positive real numbers with the following properties:
\[ x_0=1,\text{ and for all }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) Prove that for every such sequence, there is a \(n\ge1\) such that
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) Find such a sequence for which
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
For (b), take \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\). Its indicated partial sum is \(4(1-2^{-n})<4\) for every \(n\ge1\).
Solution
(a) Write \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] For positive \(a,b\), \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] Applying this with \(a=x_i\), \(b=x_{i+1}\), and summing gives \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
If \(x_n\le1/4000\) for some \(n\ge1\), then \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
Otherwise \(x_i>1/4000\) for every \(i\ge0\). Since \(x_{i+1}\le x_i\), \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] Consequently, \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] Thus the required \(n\) exists in either case.
(b) Set \(x_n=2^{-n}\). This sequence is positive, satisfies \(x_0=1\), and is decreasing. For every \(n\ge1\), \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] Hence it satisfies all the requirements.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1982 · Aufgabe 3
Betrachte die unendlichen Folgen \(\{x_n\}\) positiver reeller Zahlen mit den folgenden Eigenschaften:
\[ x_0=1,\text{ und für alle }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) Beweise, dass es für jede solche Folge ein \(n\ge1\) gibt, sodass
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) Finde eine solche Folge, für die
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Für (b) wähle \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\). Die angegebene Partialsumme ist gleich \(4(1-2^{-n})<4\) für jedes \(n\ge1\).
Lösung
(a) Schreibe \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] Für positive \(a,b\) gilt \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] Wenden wir dies mit \(a=x_i\), \(b=x_{i+1}\) an und summieren, so erhalten wir \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
Gilt \(x_n\le1/4000\) für ein \(n\ge1\), so ist \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
Andernfalls gilt \(x_i>1/4000\) für jedes \(i\ge0\). Wegen \(x_{i+1}\le x_i\) gilt \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] Folglich gilt \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] Damit existiert das gesuchte \(n\) in beiden Fällen.
(b) Setze \(x_n=2^{-n}\). Diese Folge ist positiv, erfüllt \(x_0=1\) und ist monoton fallend. Für jedes \(n\ge1\) gilt \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] Somit erfüllt sie alle Anforderungen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1982 · Soru 3
Aşağıdaki özelliklere sahip, pozitif gerçel sayılardan oluşan sonsuz \(\{x_n\}\) dizilerini ele alalım:
\[ x_0=1,\text{ ve tüm }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) Böyle her dizi için, aşağıdaki eşitsizliği sağlayan bir \(n\ge1\) bulunduğunu kanıtlayınız:
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) Aşağıdaki eşitsizliği sağlayan böyle bir dizi bulunuz:
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(b) için \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\) alalım. Bu dizinin belirtilen kısmi toplamı, her \(n\ge1\) için \(4(1-2^{-n})<4\) olur.
Çözüm
(a) \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}} \] yazalım. Pozitif \(a,b\) için \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] Bu eşitsizliği \(a=x_i\), \(b=x_{i+1}\) için uygulayıp topladığımızda \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n) \] elde ederiz.
Bir \(n\ge1\) için \(x_n\le1/4000\) ise \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
Aksi hâlde her \(i\ge0\) için \(x_i>1/4000\) olur. \(x_{i+1}\le x_i\) olduğundan, \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] Dolayısıyla, \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] Böylece her iki durumda da istenen \(n\) vardır.
(b) \(x_n=2^{-n}\) alalım. Bu dizi pozitif terimlidir, \(x_0=1\) koşulunu sağlar ve azalandır. Her \(n\ge1\) için \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] Dolayısıyla tüm koşulları sağlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1982 · Problema 3
Consideremos las sucesiones infinitas \(\{x_n\}\) de números reales positivos con las siguientes propiedades:
\[ x_0=1,\text{ y para todo }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) Demostrar que, para toda sucesión de este tipo, existe un \(n\ge1\) tal que
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) Encontrar una sucesión de este tipo para la cual
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Para (b), tomemos \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\). La suma parcial indicada es \(4(1-2^{-n})<4\) para todo \(n\ge1\).
Solución
(a) Escribamos \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] Para \(a,b\) positivos, \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] Aplicando esto con \(a=x_i\), \(b=x_{i+1}\), y sumando, se obtiene \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
Si \(x_n\le1/4000\) para algún \(n\ge1\), entonces \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
En caso contrario, \(x_i>1/4000\) para todo \(i\ge0\). Como \(x_{i+1}\le x_i\), \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] Por consiguiente, \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] Así pues, el \(n\) requerido existe en ambos casos.
(b) Tomemos \(x_n=2^{-n}\). Esta sucesión es positiva, satisface \(x_0=1\) y es decreciente. Para todo \(n\ge1\), \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] Por tanto, satisface todos los requisitos.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1982 · 问题 3
考虑具有以下性质的正实数无穷数列 \(\{x_n\}\):
\[ x_0=1,\text{ 且对所有 }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) 证明:对每个这样的数列,都存在一个 \(n\ge1\),使得
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) 求一个这样的数列,使得
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
对于 (b),取 \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\)。对每个 \(n\ge1\),其所述部分和为 \(4(1-2^{-n})<4\)。
解答
(a) 记 \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] 对正数 \(a,b\),有 \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] 取 \(a=x_i\)、\(b=x_{i+1}\) 代入上式,并求和,得 \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
若对某个 \(n\ge1\) 有 \(x_n\le1/4000\),则 \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
否则,对每个 \(i\ge0\) 都有 \(x_i>1/4000\)。由于 \(x_{i+1}\le x_i\), \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] 因此, \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] 所以,无论哪种情形,所求的 \(n\) 都存在。
(b) 令 \(x_n=2^{-n}\)。这个数列的各项均为正数,满足 \(x_0=1\),且单调递减。对每个 \(n\ge1\),有 \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] 因此,它满足所有要求。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1982 · Задача 3
Рассмотрим бесконечные последовательности \(\{x_n\}\) положительных действительных чисел со следующими свойствами:
\[ x_0=1,\text{ и для всех }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(a) Докажите, что для каждой такой последовательности существует \(n\ge1\), для которого
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(b) Найдите такую последовательность, для которой
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В пункте (b) возьмём \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\). Указанная частичная сумма для этой последовательности равна \(4(1-2^{-n})<4\) при каждом \(n\ge1\).
Решение
(a) Обозначим \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] Для положительных \(a,b\) \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] Применяя это неравенство при \(a=x_i\), \(b=x_{i+1}\) и суммируя, получаем \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
Если \(x_n\le1/4000\) для некоторого \(n\ge1\), то \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
В противном случае \(x_i>1/4000\) для каждого \(i\ge0\). Поскольку \(x_{i+1}\le x_i\), \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] Следовательно, \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] Таким образом, искомое \(n\) существует в обоих случаях.
(b) Положим \(x_n=2^{-n}\). Все члены этой последовательности положительны, она удовлетворяет условию \(x_0=1\) и является убывающей. Для каждого \(n\ge1\) \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] Следовательно, она удовлетворяет всем требованиям.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1982 · المسألة 3
لتكن \(\{x_n\}\) متتاليات لا نهائية من الأعداد الحقيقية الموجبة، تحقق الخواص الآتية:
\[ x_0=1,\text{ ولكل }i\ge0,\ x_{i+1}\le x_i. \]
(أ) أثبت أنه لكل متتالية من هذا النوع، يوجد \(n\ge1\) بحيث
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}\ge3.999. \]
(ب) أوجد متتالية من هذا النوع تحقق
\[ \frac{x_0^2}{x_1}+\frac{x_1^2}{x_2}+\cdots+\frac{x_{n-1}^2}{x_n}<4. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
في (ب)، نأخذ \(\boxed{x_n=2^{-n}\quad(n\ge0)}\). مجموعها الجزئي المشار إليه هو \(4(1-2^{-n})<4\) لكل \(n\ge1\).
الحل
(أ) نكتب \[ S_n=\sum_{i=0}^{n-1}\frac{x_i^2}{x_{i+1}}. \] للعددين الموجبين \(a,b\)، لدينا \[ \frac{a^2}{b}-4(a-b)=\frac{(a-2b)^2}{b}\ge0. \] بتطبيق ذلك مع \(a=x_i\)، و\(b=x_{i+1}\)، ثم الجمع، نحصل على \[ S_n\ge4\sum_{i=0}^{n-1}(x_i-x_{i+1}) =4(1-x_n). \]
إذا كان \(x_n\le1/4000\) لبعض \(n\ge1\)، فإن \[ S_n\ge4\left(1-\frac1{4000}\right)=3.999. \]
وإلا فإن \(x_i>1/4000\) لكل \(i\ge0\). وبما أن \(x_{i+1}\le x_i\)، فإن \[ \frac{x_i^2}{x_{i+1}}\ge x_i>\frac1{4000}. \] ومن ثم، \[ S_{15996}>\frac{15996}{4000}=3.999. \] إذن يوجد العدد \(n\) المطلوب في كلتا الحالتين.
(ب) نضع \(x_n=2^{-n}\). هذه المتتالية موجبة، وتحقق \(x_0=1\)، وهي متناقصة. لكل \(n\ge1\)، \[ S_n =\sum_{i=0}^{n-1}\frac{2^{-2i}}{2^{-(i+1)}} =\sum_{i=0}^{n-1}2^{1-i} =4(1-2^{-n}) <4. \] وعليه، فهي تحقق جميع الشروط المطلوبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).