IMO 1983 · Problem 3
Let \(a\), \(b\) and \(c\) be positive integers, no two of which have a common divisor greater than 1. Show that \(2abc-ab-bc-ca\) is the largest integer which cannot be expressed in the form \(xbc+yca+zab\),where \(x\), \(y\) and \(z\) are non-negative integers.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] We prove that \(F\) is not representable and that every integer greater than \(F\) is representable.
Suppose first that \[ F=xbc+yca+zab \] for non-negative integers \(x,y,z\). Reducing modulo \(a\) gives \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] Since \(\gcd(a,bc)=1\), we have \(a\mid x+1\). As \(x+1>0\), this implies \(x\ge a-1\). Similarly, \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] Consequently, \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] a contradiction.
Now let \(N>F\) be any integer. Since \(\gcd(a,bc)=1\), multiplication by \(bc\) permutes the residue classes modulo \(a\). Thus we can choose an integer \(x\) satisfying \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a. \] Similarly, choose an integer \(y\) satisfying \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b. \] Then \(N-xbc-yca\) is divisible by both \(a\) and \(b\). Since \(\gcd(a,b)=1\), it is divisible by \(ab\), so \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] is an integer. Moreover, \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] Hence \(z>-1\), and its integrality gives \(z\ge0\). Therefore \[ N=xbc+yca+zab \] is a representation with all three coefficients non-negative.
These arguments also apply when any of \(a,b,c\) equals \(1\): congruences modulo \(1\) are automatic, and the chosen residue in the range \(0\) to \(1-1\) is \(0\).
Thus \(F=2abc-ab-bc-ca\) is exactly the largest integer that cannot be expressed in the required form. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1983 · Aufgabe 3
Seien \(a\), \(b\) und \(c\) positive ganze Zahlen, von denen keine zwei einen gemeinsamen Teiler größer als 1 haben. Zeige, dass \(2abc-ab-bc-ca\) die größte ganze Zahl ist, die sich nicht in der Form \(xbc+yca+zab\) darstellen lässt, wobei \(x\), \(y\) und \(z\) nichtnegative ganze Zahlen sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] Wir beweisen, dass \(F\) nicht darstellbar ist und dass jede ganze Zahl größer als \(F\) darstellbar ist.
Nehmen wir zunächst an, dass \[ F=xbc+yca+zab \] für nichtnegative ganze Zahlen \(x,y,z\) gilt. Reduktion modulo \(a\) ergibt \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] Da \(\operatorname{ggT}(a,bc)=1\) gilt, folgt \(a\mid x+1\). Wegen \(x+1>0\) ergibt sich daraus \(x\ge a-1\). Ebenso gilt \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] Folglich ist \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] ein Widerspruch.
Sei nun \(N>F\) eine beliebige ganze Zahl. Da \(\operatorname{ggT}(a,bc)=1\) gilt, permutiert die Multiplikation mit \(bc\) die Restklassen modulo \(a\). Somit können wir eine ganze Zahl \(x\) wählen, die \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a \] erfüllt. Ebenso wählen wir eine ganze Zahl \(y\), die \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b \] erfüllt. Dann ist \(N-xbc-yca\) sowohl durch \(a\) als auch durch \(b\) teilbar. Wegen \(\operatorname{ggT}(a,b)=1\) ist diese Zahl durch \(ab\) teilbar, also ist \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] eine ganze Zahl. Außerdem gilt \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] Daher ist \(z>-1\), und da \(z\) ganzzahlig ist, folgt \(z\ge0\). Somit ist \[ N=xbc+yca+zab \] eine Darstellung mit drei nichtnegativen Koeffizienten.
Diese Argumente gelten auch, wenn eine der Zahlen \(a,b,c\) gleich \(1\) ist: Kongruenzen modulo \(1\) sind stets erfüllt, und der gewählte Rest im Bereich von \(0\) bis \(1-1\) ist \(0\).
Damit ist \(F=2abc-ab-bc-ca\) genau die größte ganze Zahl, die sich nicht in der geforderten Form darstellen lässt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1983 · Soru 3
\(a\), \(b\) ve \(c\), herhangi ikisinin 1'den büyük ortak böleni olmayan pozitif tam sayılar olsun. \(2abc-ab-bc-ca\) sayısının, \(x\), \(y\) ve \(z\) negatif olmayan tam sayılar olmak üzere \(xbc+yca+zab\) biçiminde ifade edilemeyen en büyük tam sayı olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Şu tanımı yapalım: \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] \(F\)'nin bu biçimde ifade edilemediğini ve \(F\)'den büyük her tam sayının bu biçimde ifade edilebildiğini kanıtlayacağız.
Önce, negatif olmayan \(x,y,z\) tam sayıları için \[ F=xbc+yca+zab \] olduğunu varsayalım. Modulo \(a\) alırsak \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] \(\operatorname{ebob}(a,bc)=1\) olduğundan \(a\mid x+1\) olur. \(x+1>0\) olduğundan buradan \(x\ge a-1\) elde edilir. Benzer şekilde, \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] Dolayısıyla \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] bir çelişkidir.
Şimdi \(N>F\) herhangi bir tam sayı olsun. \(\operatorname{ebob}(a,bc)=1\) olduğundan \(bc\) ile çarpma, modulo \(a\) kalan sınıflarını permüte eder. Bu nedenle \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a \] koşullarını sağlayan bir \(x\) tam sayısı seçebiliriz. Benzer şekilde, \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b \] koşullarını sağlayan bir \(y\) tam sayısı seçelim. O zaman \(N-xbc-yca\), hem \(a\)'ya hem de \(b\)'ye bölünür. \(\operatorname{ebob}(a,b)=1\) olduğundan \(ab\)'ye de bölünür; dolayısıyla \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] bir tam sayıdır. Ayrıca, \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] Buradan \(z>-1\) olur ve tam sayı olduğundan \(z\ge0\) elde edilir. Dolayısıyla \[ N=xbc+yca+zab \] ifadesinde her üç katsayı da negatif değildir.
Bu akıl yürütmeler, \(a,b,c\) sayılarından herhangi biri \(1\)'e eşit olduğunda da geçerlidir: modulo \(1\) denklikleri kendiliğinden sağlanır ve \(0\) ile \(1-1\) aralığında seçilen kalan \(0\)'dır.
Böylece \(F=2abc-ab-bc-ca\), istenen biçimde ifade edilemeyen en büyük tam sayıdır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1983 · Problema 3
Sean \(a\), \(b\) y \(c\) enteros positivos tales que ningún par de ellos tiene un divisor común mayor que 1. Demostrar que \(2abc-ab-bc-ca\) es el mayor entero que no puede expresarse en la forma \(xbc+yca+zab\), donde \(x\), \(y\) y \(z\) son enteros no negativos.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] Demostramos que \(F\) no admite tal representación y que todo entero mayor que \(F\) sí la admite.
Supongamos primero que \[ F=xbc+yca+zab \] para ciertos enteros no negativos \(x,y,z\). Reduciendo módulo \(a\), se obtiene \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] Como \(\operatorname{mcd}(a,bc)=1\), tenemos \(a\mid x+1\). Puesto que \(x+1>0\), esto implica \(x\ge a-1\). Análogamente, \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] En consecuencia, \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] lo que es una contradicción.
Sea ahora \(N>F\) un entero cualquiera. Como \(\operatorname{mcd}(a,bc)=1\), la multiplicación por \(bc\) permuta las clases de residuos módulo \(a\). Así, podemos elegir un entero \(x\) que satisfaga \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a. \] Análogamente, elegimos un entero \(y\) que satisfaga \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b. \] Entonces \(N-xbc-yca\) es divisible tanto por \(a\) como por \(b\). Como \(\operatorname{mcd}(a,b)=1\), es divisible por \(ab\), por lo que \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] es un entero. Además, \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] Por tanto, \(z>-1\), y el hecho de que sea entero implica \(z\ge0\). Así, \[ N=xbc+yca+zab \] es una representación cuyos tres coeficientes son no negativos.
Estos argumentos también se aplican cuando alguno de \(a,b,c\) es igual a \(1\): las congruencias módulo \(1\) se cumplen automáticamente, y el residuo elegido en el intervalo de \(0\) a \(1-1\) es \(0\).
Así, \(F=2abc-ab-bc-ca\) es exactamente el mayor entero que no puede expresarse en la forma requerida. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1983 · 问题 3
设 \(a\)、\(b\)、\(c\) 为正整数,其中任意两个都没有大于 1 的公因数。证明:\(2abc-ab-bc-ca\) 是不能表示成 \(xbc+yca+zab\) 形式的最大整数,其中 \(x\)、\(y\)、\(z\) 为非负整数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] 我们将证明 \(F\) 不能表示成所要求的形式,而每个大于 \(F\) 的整数都能表示成这种形式。
首先假设存在非负整数 \(x,y,z\),使得 \[ F=xbc+yca+zab \] 成立。对 \(a\) 取模,得 \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] 由于 \(\gcd(a,bc)=1\),有 \(a\mid x+1\)。又因 \(x+1>0\),可得 \(x\ge a-1\)。同理, \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] 因此, \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] 矛盾。
现在设 \(N>F\) 为任意整数。由于 \(\gcd(a,bc)=1\),乘以 \(bc\) 会将模 \(a\) 的剩余类作一个置换。因此可以选取整数 \(x\),使得 \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a. \] 同理,选取整数 \(y\),使得 \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b. \] 于是 \(N-xbc-yca\) 同时被 \(a\) 和 \(b\) 整除。由于 \(\gcd(a,b)=1\),它也被 \(ab\) 整除,故 \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] 是整数。此外, \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] 所以 \(z>-1\),又因为 \(z\) 是整数,故 \(z\ge0\)。因此 \[ N=xbc+yca+zab \] 给出了三个系数均为非负整数的表示。
当 \(a,b,c\) 中有任何一个等于 \(1\) 时,上述论证仍然适用:模 \(1\) 的同余式自然成立,而在 \(0\) 到 \(1-1\) 的范围内选取的余数为 \(0\)。
因此,\(F=2abc-ab-bc-ca\) 恰好是不能表示成所要求形式的最大整数。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1983 · Задача 3
Пусть \(a\), \(b\) и \(c\) — положительные целые числа, никакие два из которых не имеют общего делителя, большего 1. Докажите, что \(2abc-ab-bc-ca\) — наибольшее целое число, которое нельзя представить в виде \(xbc+yca+zab\), где \(x\), \(y\) и \(z\) — неотрицательные целые числа.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] Докажем, что \(F\) нельзя представить в требуемом виде, а любое целое число, большее \(F\), можно.
Сначала предположим, что \[ F=xbc+yca+zab \] для некоторых неотрицательных целых чисел \(x,y,z\). Рассматривая это равенство по модулю \(a\), получаем \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(a,bc)=1\), имеем \(a\mid x+1\). Так как \(x+1>0\), отсюда следует \(x\ge a-1\). Аналогично, \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] Следовательно, \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] что приводит к противоречию.
Теперь пусть \(N>F\) — произвольное целое число. Поскольку \(\operatorname{НОД}(a,bc)=1\), умножение на \(bc\) переставляет классы вычетов по модулю \(a\). Поэтому можно выбрать целое число \(x\), удовлетворяющее условиям \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a. \] Аналогично выберем целое число \(y\), удовлетворяющее условиям \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b. \] Тогда \(N-xbc-yca\) делится как на \(a\), так и на \(b\). Поскольку \(\operatorname{НОД}(a,b)=1\), это число делится на \(ab\), поэтому \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] — целое число. Более того, \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] Значит, \(z>-1\), и, поскольку \(z\) — целое число, \(z\ge0\). Следовательно, \[ N=xbc+yca+zab \] — представление, в котором все три коэффициента неотрицательны.
Эти рассуждения применимы и тогда, когда какое-либо из чисел \(a,b,c\) равно \(1\): сравнения по модулю \(1\) выполняются автоматически, а выбранный вычет в диапазоне от \(0\) до \(1-1\) равен \(0\).
Таким образом, \(F=2abc-ab-bc-ca\) — в точности наибольшее целое число, которое нельзя представить в требуемом виде. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1983 · المسألة 3
لتكن \(a\) و\(b\) و\(c\) أعدادًا صحيحة موجبة، لا يوجد لأي اثنين منها قاسم مشترك أكبر من 1. أثبت أن \(2abc-ab-bc-ca\) هو أكبر عدد صحيح لا يمكن التعبير عنه على الصورة \(xbc+yca+zab\)، حيث \(x\) و\(y\) و\(z\) أعداد صحيحة غير سالبة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنضع \[ F=2abc-ab-bc-ca. \] نثبت أن \(F\) لا يقبل التمثيل بالصورة المطلوبة، وأن كل عدد صحيح أكبر من \(F\) يقبل هذا التمثيل.
لنفترض أولًا أن \[ F=xbc+yca+zab \] لأعداد صحيحة غير سالبة \(x,y,z\). بأخذ الطرفين بترديد \(a\) نحصل على \[ xbc\equiv-bc\pmod a. \] بما أن \(\gcd(a,bc)=1\)، فإن \(a\mid x+1\). وبما أن \(x+1>0\)، فإن هذا يقتضي \(x\ge a-1\). وبالمثل، \[ y\ge b-1,\qquad z\ge c-1. \] وبالتالي، \[ \begin{aligned} F=xbc+yca+zab &\ge(a-1)bc+(b-1)ca+(c-1)ab\\ &=3abc-ab-bc-ca\\ &=F+abc>F, \end{aligned} \] وهذا تناقض.
ليكن الآن \(N>F\) أي عدد صحيح. بما أن \(\gcd(a,bc)=1\)، فإن الضرب في \(bc\) يبدل أصناف البواقي بترديد \(a\) فيما بينها. لذا يمكننا اختيار عدد صحيح \(x\) يحقق \[ 0\le x\le a-1,\qquad xbc\equiv N\pmod a. \] وبالمثل، نختار عددًا صحيحًا \(y\) يحقق \[ 0\le y\le b-1,\qquad yca\equiv N\pmod b. \] عندئذ يكون \(N-xbc-yca\) قابلًا للقسمة على كل من \(a\) و\(b\). وبما أن \(\gcd(a,b)=1\)، فإنه يقبل القسمة على \(ab\)، ومن ثم فإن \[ z=\frac{N-xbc-yca}{ab} \] عدد صحيح. علاوة على ذلك، \[ \begin{aligned} zab &=N-xbc-yca\\ &\ge N-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &>F-(a-1)bc-(b-1)ca\\ &=-ab. \end{aligned} \] إذن \(z>-1\)، وبما أنه عدد صحيح فإن \(z\ge0\). وبالتالي فإن \[ N=xbc+yca+zab \] تمثيل معاملاته الثلاثة كلها غير سالبة.
تنطبق هذه الحجج أيضًا عندما يساوي أي من \(a,b,c\) العدد \(1\): فالتطابقات بترديد \(1\) متحققة تلقائيًا، والباقي المختار في المجال من \(0\) إلى \(1-1\) هو \(0\).
إذن \(F=2abc-ab-bc-ca\) هو بالضبط أكبر عدد صحيح لا يمكن التعبير عنه بالصورة المطلوبة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).