IMO 1984 · Problem 6
Let \(a, b, c\) and \(d\) be odd integers such that \(0<a<b<c<d\) and \(ad=bc\). Prove that if \(a+d=2^k\) and \(b+c=2^m\) for some integers \(k\) and \(m\), then \(a=1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
First, using \(ad=bc\), we obtain \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] Thus \(2^k>2^m\), so \(k>m\). Also, \(b\ge3\) and \(c\ge5\), whence \(m\ge3\).
Reducing the equations \(a+d=2^k\) and \(b+c=2^m\) modulo \(2^m\) gives \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] Since \(ad=bc\), it follows that \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{so}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
Both \(b-a\) and \(b+a\) are even. Their difference is \(2a\), which is congruent to \(2\) modulo \(4\). Therefore exactly one of these two factors is divisible by \(4\), while the other is divisible by \(2\) but not by \(4\). Consequently, the former factor must be divisible by \(2^{m-1}\).
However, \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] so \(b-a\) cannot be divisible by \(2^{m-1}\). Hence \(2^{m-1}\mid b+a\). As \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] we must have \[ a+b=2^{m-1}. \]
Put \(T=2^{m-1}\). Then \(b=T-a\), and \(b+c=2T\) gives \(c=T+a\). Therefore \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] Thus \(a\) is a positive odd divisor of a power of \(2\), forcing \(\boxed{a=1}\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1984 · Aufgabe 6
Seien \(a, b, c\) und \(d\) ungerade ganze Zahlen mit \(0<a<b<c<d\) und \(ad=bc\). Man beweise: Gilt \(a+d=2^k\) und \(b+c=2^m\) für gewisse ganze Zahlen \(k\) und \(m\), so ist \(a=1\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Zunächst erhalten wir unter Verwendung von \(ad=bc\) \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] Somit gilt \(2^k>2^m\), also \(k>m\). Außerdem sind \(b\ge3\) und \(c\ge5\), woraus \(m\ge3\) folgt.
Reduktion der Gleichungen \(a+d=2^k\) und \(b+c=2^m\) modulo \(2^m\) ergibt \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] Wegen \(ad=bc\) folgt daraus \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{also}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
Sowohl \(b-a\) als auch \(b+a\) sind gerade. Ihre Differenz ist \(2a\), und diese Zahl ist kongruent zu \(2\) modulo \(4\). Daher ist genau einer dieser beiden Faktoren durch \(4\) teilbar, während der andere durch \(2\), aber nicht durch \(4\) teilbar ist. Folglich muss der erstgenannte Faktor durch \(2^{m-1}\) teilbar sein.
Es gilt jedoch \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] also kann \(b-a\) nicht durch \(2^{m-1}\) teilbar sein. Daher gilt \(2^{m-1}\mid b+a\). Wegen \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] muss gelten: \[ a+b=2^{m-1}. \]
Wir setzen \(T=2^{m-1}\). Dann ist \(b=T-a\), und aus \(b+c=2T\) folgt \(c=T+a\). Daher gilt \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] Somit ist \(a\) ein positiver ungerader Teiler einer Potenz von \(2\), woraus zwingend \(\boxed{a=1}\) folgt.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1984 · Soru 6
\(a, b, c\) ve \(d\), \(0<a<b<c<d\) ve \(ad=bc\) koşullarını sağlayan tek tam sayılar olsun. Bazı \(k\) ve \(m\) tam sayıları için \(a+d=2^k\) ve \(b+c=2^m\) ise \(a=1\) olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce \(ad=bc\) eşitliğini kullanarak \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0 \] elde ederiz. Böylece \(2^k>2^m\), dolayısıyla \(k>m\) olur. Ayrıca \(b\ge3\) ve \(c\ge5\) olduğundan \(m\ge3\)'tür.
\(a+d=2^k\) ve \(b+c=2^m\) denklemlerini mod \(2^m\) alarak \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m} \] elde ederiz. \(ad=bc\) olduğundan \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
Hem \(b-a\) hem de \(b+a\) çifttir. Aralarındaki fark \(2a\) olup mod \(4\)'te \(2\)'ye denktir. Bu nedenle, bu iki çarpandan tam olarak biri \(4\) ile bölünürken, diğeri \(2\) ile bölünür fakat \(4\) ile bölünmez. Dolayısıyla ilk çarpan \(2^{m-1}\) ile bölünmelidir.
Ancak \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] olduğundan \(b-a\), \(2^{m-1}\) ile bölünemez. O hâlde \(2^{m-1}\mid b+a\). Ayrıca \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] olduğundan \[ a+b=2^{m-1} \] olmalıdır.
\(T=2^{m-1}\) olsun. O zaman \(b=T-a\) olur ve \(b+c=2T\) eşitliğinden \(c=T+a\) elde edilir. Dolayısıyla \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] Böylece \(a\), \(2\)'nin bir kuvvetinin pozitif tek bölenidir; bu da \(\boxed{a=1}\) olmasını gerektirir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1984 · Problema 6
Sean \(a, b, c\) y \(d\) enteros impares tales que \(0<a<b<c<d\) y \(ad=bc\). Demostrar que, si \(a+d=2^k\) y \(b+c=2^m\) para ciertos enteros \(k\) y \(m\), entonces \(a=1\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
En primer lugar, utilizando \(ad=bc\), obtenemos \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] Así, \(2^k>2^m\), por lo que \(k>m\). Además, \(b\ge3\) y \(c\ge5\), de donde \(m\ge3\).
Al reducir las ecuaciones \(a+d=2^k\) y \(b+c=2^m\) módulo \(2^m\), obtenemos \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] Como \(ad=bc\), se sigue que \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{por lo que}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
Tanto \(b-a\) como \(b+a\) son pares. Su diferencia es \(2a\), que es congruente con \(2\) módulo \(4\). Por tanto, exactamente uno de estos dos factores es divisible por \(4\), mientras que el otro es divisible por \(2\), pero no por \(4\). Por consiguiente, el primero de estos factores debe ser divisible por \(2^{m-1}\).
Sin embargo, \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] por lo que \(b-a\) no puede ser divisible por \(2^{m-1}\). Por tanto, \(2^{m-1}\mid b+a\). Como \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] necesariamente \[ a+b=2^{m-1}. \]
Sea \(T=2^{m-1}\). Entonces \(b=T-a\), y de \(b+c=2T\) se obtiene \(c=T+a\). Por tanto, \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] Así, \(a\) es un divisor positivo impar de una potencia de \(2\), lo que obliga a que \(\boxed{a=1}\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1984 · 问题 6
设 \(a, b, c\) 和 \(d\) 为奇整数,满足 \(0<a<b<c<d\) 且 \(ad=bc\)。证明:若存在整数 \(k\) 和 \(m\),使得 \(a+d=2^k\) 且 \(b+c=2^m\),则 \(a=1\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
首先,利用 \(ad=bc\),得 \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] 于是 \(2^k>2^m\),故 \(k>m\)。又因为 \(b\ge3\) 且 \(c\ge5\),所以 \(m\ge3\)。
将等式 \(a+d=2^k\) 和 \(b+c=2^m\) 按模 \(2^m\) 化简,得 \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] 由于 \(ad=bc\),可得 \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{所以}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
\(b-a\) 和 \(b+a\) 均为偶数。它们的差为 \(2a\),模 \(4\) 同余于 \(2\)。因此,这两个因数中恰有一个能被 \(4\) 整除,另一个能被 \(2\) 整除但不能被 \(4\) 整除。因此,前一个因数必能被 \(2^{m-1}\) 整除。
然而, \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] 所以 \(b-a\) 不可能被 \(2^{m-1}\) 整除。故 \(2^{m-1}\mid b+a\)。由于 \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] 必有 \[ a+b=2^{m-1}. \]
令 \(T=2^{m-1}\)。则 \(b=T-a\),而由 \(b+c=2T\) 得 \(c=T+a\)。因此, \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] 于是 \(a\) 是 \(2\) 的某个幂的正奇因数,故必有 \(\boxed{a=1}\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1984 · Задача 6
Пусть \(a, b, c\) и \(d\) — нечётные целые числа, такие, что \(0<a<b<c<d\) и \(ad=bc\). Докажите, что если \(a+d=2^k\) и \(b+c=2^m\) для некоторых целых чисел \(k\) и \(m\), то \(a=1\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала, используя \(ad=bc\), получаем \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] Таким образом, \(2^k>2^m\), поэтому \(k>m\). Кроме того, \(b\ge3\) и \(c\ge5\), откуда \(m\ge3\).
Рассматривая равенства \(a+d=2^k\) и \(b+c=2^m\) по модулю \(2^m\), получаем \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] Поскольку \(ad=bc\), отсюда следует, что \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{поэтому}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
Оба числа \(b-a\) и \(b+a\) чётны. Их разность равна \(2a\), что сравнимо с \(2\) по модулю \(4\). Поэтому ровно один из этих двух множителей делится на \(4\), а другой делится на \(2\), но не на \(4\). Следовательно, первый из этих множителей должен делиться на \(2^{m-1}\).
Однако \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] поэтому \(b-a\) не может делиться на \(2^{m-1}\). Значит, \(2^{m-1}\mid b+a\). Так как \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] необходимо, чтобы \[ a+b=2^{m-1}. \]
Положим \(T=2^{m-1}\). Тогда \(b=T-a\), а из \(b+c=2T\) получаем \(c=T+a\). Следовательно, \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] Таким образом, \(a\) — положительный нечётный делитель степени числа \(2\), откуда \(\boxed{a=1}\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1984 · المسألة 6
لتكن \(a, b, c\) و\(d\) أعدادًا صحيحة فردية تحقق \(0<a<b<c<d\) و\(ad=bc\). أثبت أنه إذا كان \(a+d=2^k\) و\(b+c=2^m\) لعددين صحيحين \(k\) و\(m\)، فإن \(a=1\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
أولًا، باستخدام \(ad=bc\)، نحصل على \[ a\bigl((a+d)-(b+c)\bigr) =a^2+bc-ab-ac =(b-a)(c-a)>0. \] إذن \(2^k>2^m\)، ومن ثم \(k>m\). كذلك، \(b\ge3\) و\(c\ge5\)، ومنه \(m\ge3\).
باختزال المعادلتين \(a+d=2^k\) و\(b+c=2^m\) بترديد \(2^m\)، نحصل على \[ d\equiv-a,\qquad c\equiv-b\pmod{2^m}. \] وبما أن \(ad=bc\)، ينتج أن \[ a^2\equiv b^2\pmod{2^m}, \qquad\text{ومن ثم}\qquad 2^m\mid(b-a)(b+a). \]
كل من \(b-a\) و\(b+a\) زوجي. والفرق بينهما هو \(2a\)، وهو يوافق \(2\) بترديد \(4\). لذلك يقبل أحد هذين العاملين بالضبط القسمة على \(4\)، بينما يقبل الآخر القسمة على \(2\) ولا يقبل القسمة على \(4\). وبالتالي، لا بد أن يقبل العامل الأول القسمة على \(2^{m-1}\).
ولكن، \[ 0<b-a<b<\frac{b+c}{2}=2^{m-1}, \] لذا لا يمكن أن يقبل \(b-a\) القسمة على \(2^{m-1}\). ومن ثم \(2^{m-1}\mid b+a\). وبما أن \[ 0<b+a<b+c=2^m, \] فلا بد أن يكون \[ a+b=2^{m-1}. \]
نضع \(T=2^{m-1}\). عندئذ \(b=T-a\)، وتعطي \(b+c=2T\) أن \(c=T+a\). لذلك \[ a2^k=a(a+d)=a^2+ad =a^2+bc =a^2+(T-a)(T+a) =T^2=2^{2m-2}. \] إذن \(a\) قاسم موجب فردي لقوة للعدد \(2\)، مما يستلزم \(\boxed{a=1}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).