IMO 1986 · Problem 1
Let \(d\) be any positive integer not equal to \(2\), \(5\), or \(13\). Show that one can find distinct \(a, b\) in the set \(\{2, 5, 13, d\}\) such that \(ab-1\) is not a perfect square.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Suppose, for a contradiction, that every product of two distinct members of \(\{2,5,13,d\}\), minus \(1\), is a perfect square. Since \(d\) is distinct from \(2,5,13\), there are nonnegative integers \(x,y,z\) such that \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
Every integer square is congruent to \(0\) or \(1\pmod4\). If \(d\) were even, then \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\), which is impossible. Thus \(d\) is odd.
Consequently, \(y^2=5d-1\) and \(z^2=13d-1\) are even, so \(y\) and \(z\) are even. Write \(y=2u\) and \(z=2v\), where \(u,v\) are integers. Subtracting their defining equations gives \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] hence \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] But the difference of two squares, each congruent to \(0\) or \(1\pmod4\), can only be congruent to \(0,1,\) or \(3\pmod4\). This is a contradiction.
Therefore at least one of \(2d-1,5d-1,13d-1\) is not a perfect square, and its corresponding pair satisfies the requirement. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1986 · Aufgabe 1
Sei \(d\) eine beliebige positive ganze Zahl, die von \(2\), \(5\) und \(13\) verschieden ist. Zeige, dass man verschiedene \(a, b\) aus der Menge \(\{2, 5, 13, d\}\) so wählen kann, dass \(ab-1\) keine Quadratzahl ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Nehmen wir zum Widerspruch an, dass jedes Produkt zweier verschiedener Elemente von \(\{2,5,13,d\}\), vermindert um \(1\), eine Quadratzahl ist. Da \(d\) von \(2,5,13\) verschieden ist, gibt es nichtnegative ganze Zahlen \(x,y,z\) mit \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
Das Quadrat jeder ganzen Zahl ist kongruent zu \(0\) oder \(1\pmod4\). Wäre \(d\) gerade, so wäre \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\), was unmöglich ist. Also ist \(d\) ungerade.
Folglich sind \(y^2=5d-1\) und \(z^2=13d-1\) gerade, also sind \(y\) und \(z\) gerade. Schreiben wir \(y=2u\) und \(z=2v\), wobei \(u,v\) ganze Zahlen sind. Subtraktion ihrer definierenden Gleichungen ergibt \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] also \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] Die Differenz zweier Quadrate, die jeweils kongruent zu \(0\) oder \(1\pmod4\) sind, kann jedoch nur kongruent zu \(0,1,\) oder \(3\pmod4\) sein. Dies ist ein Widerspruch.
Somit ist mindestens eine der Zahlen \(2d-1,5d-1,13d-1\) keine Quadratzahl, und das zugehörige Paar erfüllt die Forderung. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1986 · Soru 1
\(d\), \(2\), \(5\) veya \(13\)'e eşit olmayan herhangi bir pozitif tam sayı olsun. \(\{2, 5, 13, d\}\) kümesinde, \(ab-1\) bir tam kare olmayacak şekilde birbirinden farklı \(a, b\) elemanlarının bulunabileceğini gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çelişki elde etmek için, \(\{2,5,13,d\}\) kümesinin birbirinden farklı herhangi iki elemanının çarpımının \(1\) eksiğinin bir tam kare olduğunu varsayalım. \(d\), \(2,5,13\)'ten farklı olduğundan, \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2 \] eşitliklerini sağlayan negatif olmayan \(x,y,z\) tam sayıları vardır.
Her tam sayının karesi \(0\) veya \(1\pmod4\)'e denktir. \(d\) çift olsaydı, \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\) olurdu ki bu imkânsızdır. Dolayısıyla \(d\) tektir.
Buna göre, \(y^2=5d-1\) ve \(z^2=13d-1\) çifttir; dolayısıyla \(y\) ve \(z\) çifttir. \(u,v\) tam sayılar olmak üzere \(y=2u\) ve \(z=2v\) yazalım. Bunları tanımlayan denklemleri birbirinden çıkarınca \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] dolayısıyla \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4 \] elde edilir. Oysa her biri \(0\) veya \(1\pmod4\)'e denk olan iki karenin farkı yalnızca \(0,1,\) veya \(3\pmod4\)'e denk olabilir. Bu bir çelişkidir.
O hâlde \(2d-1,5d-1,13d-1\) sayılarından en az biri tam kare değildir ve buna karşılık gelen eleman çifti istenen koşulu sağlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1986 · Problema 1
Sea \(d\) un entero positivo distinto de \(2\), \(5\) y \(13\). Demostrar que se pueden encontrar \(a, b\) distintos en el conjunto \(\{2, 5, 13, d\}\) tales que \(ab-1\) no sea un cuadrado perfecto.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Supongamos, para llegar a una contradicción, que el producto de cualesquiera dos elementos distintos de \(\{2,5,13,d\}\), menos \(1\), es un cuadrado perfecto. Como \(d\) es distinto de \(2,5,13\), existen enteros no negativos \(x,y,z\) tales que \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
El cuadrado de todo entero es congruente con \(0\) o \(1\pmod4\). Si \(d\) fuera par, entonces \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\), lo cual es imposible. Por tanto, \(d\) es impar.
En consecuencia, \(y^2=5d-1\) y \(z^2=13d-1\) son pares, por lo que \(y\) y \(z\) son pares. Escribamos \(y=2u\) y \(z=2v\), donde \(u,v\) son enteros. Restando las ecuaciones que los definen, obtenemos \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] de donde \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] Pero la diferencia de dos cuadrados, cada uno congruente con \(0\) o \(1\pmod4\), solo puede ser congruente con \(0,1,\) o \(3\pmod4\). Esto es una contradicción.
Por tanto, al menos uno de los números \(2d-1,5d-1,13d-1\) no es un cuadrado perfecto, y el par correspondiente satisface lo pedido. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1986 · 问题 1
设 \(d\) 为任意一个不等于 \(2\)、\(5\) 或 \(13\) 的正整数。证明:在集合 \(\{2, 5, 13, d\}\) 中可以找到两个不同的数 \(a, b\),使得 \(ab-1\) 不是完全平方数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用反证法,假设 \(\{2,5,13,d\}\) 中任意两个不同元素的乘积减去 \(1\) 都是完全平方数。由于 \(d\) 与 \(2,5,13\) 均不相同,存在非负整数 \(x,y,z\),使得 \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
任意整数的平方都同余于 \(0\) 或 \(1\pmod4\)。若 \(d\) 为偶数,则 \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\),这是不可能的。因此 \(d\) 为奇数。
于是,\(y^2=5d-1\) 和 \(z^2=13d-1\) 均为偶数,所以 \(y\) 和 \(z\) 均为偶数。令 \(y=2u\)、\(z=2v\),其中 \(u,v\) 为整数。将它们所满足的方程相减,得 \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] 从而 \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] 然而,两个平方数各自同余于 \(0\) 或 \(1\pmod4\),它们的差只能同余于 \(0,1,\) 或 \(3\pmod4\)。这就产生了矛盾。
因此,\(2d-1,5d-1,13d-1\) 中至少有一个不是完全平方数,而与它对应的一对数满足要求。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1986 · Задача 1
Пусть \(d\) — произвольное положительное целое число, не равное \(2\), \(5\) или \(13\). Докажите, что в множестве \(\{2, 5, 13, d\}\) можно найти различные числа \(a, b\), для которых \(ab-1\) не является полным квадратом.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Предположим противное: произведение любых двух различных элементов множества \(\{2,5,13,d\}\), уменьшенное на \(1\), является полным квадратом. Поскольку \(d\) отлично от \(2,5,13\), существуют неотрицательные целые числа \(x,y,z\), для которых \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
Квадрат любого целого числа сравним с \(0\) или \(1\pmod4\). Если бы \(d\) было чётным, то \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\), что невозможно. Значит, \(d\) нечётно.
Следовательно, \(y^2=5d-1\) и \(z^2=13d-1\) чётны, поэтому \(y\) и \(z\) чётны. Запишем \(y=2u\) и \(z=2v\), где \(u,v\) — целые числа. Вычитая равенства, определяющие эти числа, получаем \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] откуда \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] Но разность двух квадратов, каждый из которых сравним с \(0\) или \(1\pmod4\), может быть сравнима лишь с \(0,1,\) или \(3\pmod4\). Получено противоречие.
Таким образом, хотя бы одно из чисел \(2d-1,5d-1,13d-1\) не является полным квадратом, и соответствующая ему пара удовлетворяет требованию задачи. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1986 · المسألة 1
ليكن \(d\) أي عدد صحيح موجب لا يساوي \(2\) أو \(5\) أو \(13\). أثبت أنه يمكن إيجاد عنصرين مختلفين \(a, b\) من المجموعة \(\{2, 5, 13, d\}\) بحيث لا يكون \(ab-1\) مربعًا كاملًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنفترض، بغرض الوصول إلى تناقض، أن حاصل ضرب كل عنصرين مختلفين من \(\{2,5,13,d\}\)، مطروحًا منه \(1\)، هو مربع كامل. بما أن \(d\) يختلف عن \(2,5,13\)، توجد أعداد صحيحة غير سالبة \(x,y,z\) بحيث \[ 2d-1=x^2,\qquad 5d-1=y^2,\qquad 13d-1=z^2. \]
مربع كل عدد صحيح يوافق \(0\) أو \(1\pmod4\). لو كان \(d\) زوجيًا، لكان \(x^2=2d-1\equiv3\pmod4\)، وهذا مستحيل. إذن \(d\) فردي.
وعليه، فإن \(y^2=5d-1\) و\(z^2=13d-1\) زوجيان، ومن ثم فإن \(y\) و\(z\) زوجيان. نكتب \(y=2u\) و\(z=2v\)، حيث \(u,v\) عددان صحيحان. بطرح المعادلتين اللتين تعرّفانهما نحصل على \[ 4(v^2-u^2)=8d, \] ومن ثم \[ v^2-u^2=2d\equiv2\pmod4. \] لكن الفرق بين مربعين، كل منهما يوافق \(0\) أو \(1\pmod4\)، لا يمكن أن يوافق إلا \(0,1,\) أو \(3\pmod4\). وهذا تناقض.
إذن واحد على الأقل من الأعداد \(2d-1,5d-1,13d-1\) ليس مربعًا كاملًا، والزوج المقابل له يحقق المطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).