IMO 1985 · Problem 2
Let \(n\) and \(k\) be given relatively prime natural numbers, \(k<n\). Each number in the set \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) is colored either blue or white. It is given that
(i) for each \(i\in M\), both \(i\) and \(n-i\) have the same color;
(ii) for each \(i\in M\), \(i\ne k\), both \(i\) and \(|i-k|\) have the same color. Prove that all numbers in \(M\) must have the same color.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
First, we show that whenever \(i\in M\) and \(i\ne k\), the number \(i\) has the same color as the unique element of \(M\) congruent to \(i-k\pmod n\).
If \(i>k\), this element is \(i-k\), and the assertion follows directly from (ii). If \(i<k\), condition (ii) gives that \(i\) and \(k-i\) have the same color. Since \(k-i\in M\), condition (i) gives that \(k-i\) and \(n-(k-i)\) have the same color. Thus \(i\) and \(n+i-k\), the required element, have the same color.
For each \(j=1,\ldots,n-1\), let \(a_j\) be the remainder of \(jk\) upon division by \(n\). Because \(\gcd(n,k)=1\), none of these remainders is zero: otherwise \(n\mid jk\) would imply \(n\mid j\), which is impossible. They are also pairwise distinct, since \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] for \(1\le p,q\le n-1\). Consequently, \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) are exactly the elements of \(M\), in some order.
Now \(a_1=k\). For every \(j=2,\ldots,n-1\), distinctness gives \(a_j\ne k\), and \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] By the observation proved above, \(a_j\) and \(a_{j-1}\) therefore have the same color. Hence all terms of \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) have the same color, including when this list has just one term. Since this list contains every element of \(M\), the conclusion follows. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1985 · Aufgabe 2
Es seien \(n\) und \(k\) gegebene teilerfremde natürliche Zahlen mit \(k<n\). Jede Zahl der Menge \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) wird entweder blau oder weiß gefärbt. Es gelte:
(i) Für jedes \(i\in M\) haben \(i\) und \(n-i\) dieselbe Farbe;
(ii) für jedes \(i\in M\) mit \(i\ne k\) haben \(i\) und \(|i-k|\) dieselbe Farbe. Beweise, dass alle Zahlen in \(M\) dieselbe Farbe haben müssen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Zunächst zeigen wir, dass für jedes \(i\in M\) mit \(i\ne k\) die Zahl \(i\) dieselbe Farbe hat wie das eindeutig bestimmte Element von \(M\), das zu \(i-k\pmod n\) kongruent ist.
Ist \(i>k\), so ist dieses Element \(i-k\), und die Behauptung folgt unmittelbar aus (ii). Ist \(i<k\), so folgt aus Bedingung (ii), dass \(i\) und \(k-i\) dieselbe Farbe haben. Wegen \(k-i\in M\) folgt aus Bedingung (i), dass \(k-i\) und \(n-(k-i)\) dieselbe Farbe haben. Somit haben \(i\) und \(n+i-k\), das gesuchte Element, dieselbe Farbe.
Für jedes \(j=1,\ldots,n-1\) sei \(a_j\) der Rest von \(jk\) bei Division durch \(n\). Wegen \(\operatorname{ggT}(n,k)=1\) ist keiner dieser Reste null: Andernfalls würde aus \(n\mid jk\) folgen, dass \(n\mid j\), was unmöglich ist. Sie sind auch paarweise verschieden, denn es gilt \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] für \(1\le p,q\le n-1\). Folglich sind \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) genau die Elemente von \(M\) in einer gewissen Reihenfolge.
Nun ist \(a_1=k\). Für jedes \(j=2,\ldots,n-1\) folgt aus der paarweisen Verschiedenheit \(a_j\ne k\), und es gilt \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] Nach der oben bewiesenen Beobachtung haben \(a_j\) und \(a_{j-1}\) daher dieselbe Farbe. Somit haben alle Glieder von \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) dieselbe Farbe; dies gilt auch, wenn diese Liste nur ein Glied enthält. Da diese Liste jedes Element von \(M\) enthält, folgt die Behauptung. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1985 · Soru 2
\(k<n\) olmak üzere, aralarında asal \(n\) ve \(k\) doğal sayıları verilsin. \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) kümesindeki her sayı mavi veya beyaz renge boyanmıştır. Aşağıdakiler veriliyor:
(i) her \(i\in M\) için, (i) ve \(n-i\) aynı renktedir;
(ii) \(i\ne k\) olan her \(i\in M\) için, (i) ve \(|i-k|\) aynı renktedir. \(M\) kümesindeki bütün sayıların aynı renkte olması gerektiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce, \(i\in M\) ve \(i\ne k\) olduğunda, (i) sayısının \(M\) kümesinde \(i-k\pmod n\) ile denk olan tek elemanla aynı renkte olduğunu gösterelim.
Eğer \(i>k\) ise, bu eleman \(i-k\) olur ve iddia doğrudan (ii)'den çıkar. Eğer \(i<k\) ise, (ii) koşuluna göre (i) ile \(k-i\) aynı renktedir. \(k-i\in M\) olduğundan, (i) koşuluna göre \(k-i\) ile \(n-(k-i)\) aynı renktedir. Dolayısıyla (i) ile istenen eleman olan \(n+i-k\) aynı renktedir.
Her \(j=1,\ldots,n-1\) için, \(jk\) sayısının \(n\) ile bölümünden kalanı \(a_j\) ile gösterelim. \(\operatorname{ebob}(n,k)=1\) olduğundan, bu kalanların hiçbiri sıfır değildir: aksi hâlde \(n\mid jk\) bağıntısından \(n\mid j\) çıkardı ki bu olanaksızdır. Bu kalanlar ayrıca birbirinden farklıdır, çünkü \(1\le p,q\le n-1\) için \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] olur. Dolayısıyla \(a_1,\ldots,a_{n-1}\), bir sıralamayla, tam olarak \(M\) kümesinin elemanlarıdır.
Şimdi \(a_1=k\) olur. Her \(j=2,\ldots,n-1\) için, elemanların farklılığından \(a_j\ne k\) elde edilir ve \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] Yukarıda kanıtlanan gözleme göre, \(a_j\) ile \(a_{j-1}\) aynı renktedir. Bu nedenle, bu listenin yalnızca bir terimden oluştuğu durum da dâhil olmak üzere, \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) listesinin bütün terimleri aynı renktedir. Bu liste \(M\) kümesinin her elemanını içerdiğinden, istenen sonuç elde edilir. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1985 · Problema 2
Sean \(n\) y \(k\) dos números naturales dados, primos entre sí, con \(k<n\). Cada número del conjunto \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) se colorea de azul o de blanco. Se sabe que
(i) para cada \(i\in M\), los números \(i\) y \(n-i\) tienen el mismo color;
(ii) para cada \(i\in M\), \(i\ne k\), los números \(i\) y \(|i-k|\) tienen el mismo color. Demostrar que todos los números de \(M\) deben tener el mismo color.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Primero demostraremos que, siempre que \(i\in M\) e \(i\ne k\), el número \(i\) tiene el mismo color que el único elemento de \(M\) congruente con \(i-k\pmod n\).
Si \(i>k\), este elemento es \(i-k\), y la afirmación se deduce directamente de (ii). Si \(i<k\), la condición (ii) implica que \(i\) y \(k-i\) tienen el mismo color. Como \(k-i\in M\), la condición (i) implica que \(k-i\) y \(n-(k-i)\) tienen el mismo color. Por tanto, \(i\) y \(n+i-k\), el elemento buscado, tienen el mismo color.
Para cada \(j=1,\ldots,n-1\), sea \(a_j\) el resto de dividir \(jk\) entre \(n\). Como \(\operatorname{mcd}(n,k)=1\), ninguno de estos restos es cero: de lo contrario, \(n\mid jk\) implicaría \(n\mid j\), lo cual es imposible. Además, son distintos dos a dos, ya que \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] para \(1\le p,q\le n-1\). En consecuencia, \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) son exactamente los elementos de \(M\), en algún orden.
Ahora bien, \(a_1=k\). Para cada \(j=2,\ldots,n-1\), el hecho de que sean distintos implica \(a_j\ne k\), y \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] Por la observación demostrada anteriormente, \(a_j\) y \(a_{j-1}\) tienen, por tanto, el mismo color. Así pues, todos los términos de \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) tienen el mismo color, incluso cuando esta lista consta de un solo término. Como esta lista contiene todos los elementos de \(M\), se obtiene la conclusión. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1985 · 问题 2
设 \(n\) 和 \(k\) 是给定的互素自然数,且 \(k<n\)。集合 \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) 中的每个数都被染成蓝色或白色。已知
(i) 对每个 \(i\in M\),\(i\) 与 \(n-i\) 的颜色相同;
(ii) 对每个满足 \(i\ne k\) 的 \(i\in M\),\(i\) 与 \(|i-k|\) 的颜色相同。证明:\(M\) 中所有数的颜色必定相同。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
首先证明:只要 \(i\in M\) 且 \(i\ne k\),数 \(i\) 就与 \(M\) 中唯一与 \(i-k\pmod n\) 同余的元素颜色相同。
若 \(i>k\),该元素为 \(i-k\),结论直接由 (ii) 得到。若 \(i<k\),由条件 (ii) 可知 \(i\) 与 \(k-i\) 的颜色相同。由于 \(k-i\in M\),由条件 (i) 可知 \(k-i\) 与 \(n-(k-i)\) 的颜色相同。因此,\(i\) 与所需的元素 \(n+i-k\) 的颜色相同。
对每个 \(j=1,\ldots,n-1\),设 \(a_j\) 为 \(jk\) 除以 \(n\) 所得的余数。由于 \(\gcd(n,k)=1\),这些余数均不为零:否则,\(n\mid jk\) 将推出 \(n\mid j\),这是不可能的。这些余数也两两不同,因为 \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] 对 \(1\le p,q\le n-1\) 成立。因此,\(a_1,\ldots,a_{n-1}\) 恰好是 \(M\) 的所有元素按某种次序排列而成的。
现在,\(a_1=k\)。对每个 \(j=2,\ldots,n-1\),由余数的互异性可知 \(a_j\ne k\),且 \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] 因此,由上面证明的结论,\(a_j\) 与 \(a_{j-1}\) 的颜色相同。于是,\(a_1,\ldots,a_{n-1}\) 的所有项颜色相同,其中也包括这列数只有一项的情形。由于这列数包含 \(M\) 的每个元素,结论得证。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1985 · Задача 2
Даны взаимно простые натуральные числа \(n\) и \(k\), \(k<n\). Каждое число из множества \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) окрашено в синий или белый цвет. Известно, что
(i) для каждого \(i\in M\) числа \(i\) и \(n-i\) имеют одинаковый цвет;
(ii) для каждого \(i\in M\), \(i\ne k\), числа \(i\) и \(|i-k|\) имеют одинаковый цвет. Докажите, что все числа из \(M\) имеют одинаковый цвет.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала покажем, что для любого \(i\in M\), \(i\ne k\), число \(i\) имеет тот же цвет, что и единственный элемент множества \(M\), сравнимый с \(i-k\pmod n\).
Если \(i>k\), этот элемент равен \(i-k\), и утверждение непосредственно следует из (ii). Если \(i<k\), по условию (ii) числа \(i\) и \(k-i\) имеют одинаковый цвет. Поскольку \(k-i\in M\), по условию (i) числа \(k-i\) и \(n-(k-i)\) имеют одинаковый цвет. Таким образом, \(i\) и \(n+i-k\), то есть нужный элемент, имеют одинаковый цвет.
Для каждого \(j=1,\ldots,n-1\) обозначим через \(a_j\) остаток от деления \(jk\) на \(n\). Поскольку \(\operatorname{НОД}(n,k)=1\), ни один из этих остатков не равен нулю: иначе из \(n\mid jk\) следовало бы \(n\mid j\), что невозможно. Кроме того, все эти остатки попарно различны, так как \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] при \(1\le p,q\le n-1\). Следовательно, \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) — это все элементы множества \(M\), взятые в некотором порядке.
Имеем \(a_1=k\). Для каждого \(j=2,\ldots,n-1\) из попарной различности следует \(a_j\ne k\), причём \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] По доказанному выше наблюдению числа \(a_j\) и \(a_{j-1}\) имеют одинаковый цвет. Поэтому все члены последовательности \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) имеют одинаковый цвет, в том числе и в случае, когда она состоит из одного члена. Поскольку эта последовательность содержит каждый элемент множества \(M\), требуемое утверждение доказано. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1985 · المسألة 2
ليكن \(n\) و\(k\) عددين طبيعيين معطيين أوليين فيما بينهما، و\(k<n\). لُوِّن كل عدد في المجموعة \(M=\{1,2,\ldots,n-1\}\) إما بالأزرق وإما بالأبيض. ومن المعطى أن
(i) لكل \(i\in M\)، يكون العددان \(i\) و\(n-i\) من اللون نفسه؛
(ii) لكل \(i\in M\)، حيث \(i\ne k\)، يكون العددان \(i\) و\(|i-k|\) من اللون نفسه. أثبت أن جميع الأعداد في \(M\) لا بد أن تكون من اللون نفسه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أولًا أنه متى كان \(i\in M\) و\(i\ne k\)، فإن العدد \(i\) له لون العنصر الوحيد في \(M\) الذي يوافق \(i-k\pmod n\).
إذا كان \(i>k\)، فإن هذا العنصر هو \(i-k\)، وتنتج الدعوى مباشرة من (ii). وإذا كان \(i<k\)، فإن الشرط (ii) يعطي أن \(i\) و\(k-i\) من اللون نفسه. وبما أن \(k-i\in M\)، فإن الشرط (i) يعطي أن \(k-i\) و\(n-(k-i)\) من اللون نفسه. وهكذا يكون \(i\) و\(n+i-k\)، وهو العنصر المطلوب، من اللون نفسه.
لكل \(j=1,\ldots,n-1\)، ليكن \(a_j\) باقي قسمة \(jk\) على \(n\). وبما أن \(\gcd(n,k)=1\)، فلا يساوي أي من هذه البواقي صفرًا: وإلا فإن \(n\mid jk\) يستلزم \(n\mid j\)، وهذا مستحيل. كما أنها مختلفة مثنى مثنى، لأن \[ a_p=a_q\quad\Longrightarrow\quad n\mid(p-q)k \quad\Longrightarrow\quad n\mid p-q \quad\Longrightarrow\quad p=q \] عندما \(1\le p,q\le n-1\). وبالتالي، فإن \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) هي بالضبط عناصر \(M\)، بترتيب ما.
لدينا الآن \(a_1=k\). ولكل \(j=2,\ldots,n-1\)، يقتضي اختلاف البواقي أن \(a_j\ne k\)، ولدينا \[ a_j-k\equiv (j-1)k\equiv a_{j-1}\pmod n. \] وبالملاحظة المثبتة أعلاه، يكون \(a_j\) و\(a_{j-1}\) إذن من اللون نفسه. ومن ثم تكون جميع حدود \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) من اللون نفسه، بما في ذلك الحالة التي تتألف فيها هذه القائمة من حد واحد فقط. وبما أن هذه القائمة تحتوي على كل عنصر من \(M\)، تنتج النتيجة المطلوبة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).