IMO 1987 · Problem 6
Let \(n\) be an integer greater than or equal to \(2\). Prove that if \(k^2+k+n\) is prime for all integers \(k\) such that \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\), then \(k^2+k+n\) is prime for all integers \(k\) such that \(0\leq k\leq n-2\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(F(x)=x^2+x+n\). Suppose, for a contradiction, that some \(F(k)\) with \(0\leq k\leq n-2\) is composite, and choose the smallest such integer \(k\).
Since \(F(k)\) is composite, it has a prime divisor \(p\) satisfying \(p^2\leq F(k)\). Moreover, \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] so \(p<n\).
Let \(r\) be the remainder when \(k\) is divided by \(p\), and put \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] Then \(t\) is an integer satisfying \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] Also, \(t\equiv k\) or \(t\equiv -k-1\pmod p\). Since \[ F(-k-1)=F(k), \] we have \(p\mid F(t)\). But \(F(t)\geq n>p\), so \(F(t)\) is composite.
If \(t<k\), this contradicts the choice of \(k\). Consequently, \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{hence}\qquad p\geq 2k+1. \] It follows that \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] and therefore \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] Thus \(0\leq k<\sqrt{n/3}\), where the hypothesis says that \(F(k)\) is prime—a contradiction.
Hence \(k^2+k+n\) is prime for every integer \(k\) with \(0\leq k\leq n-2\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1987 · Aufgabe 6
Sei \(n\) eine ganze Zahl größer oder gleich \(2\). Man beweise: Wenn \(k^2+k+n\) für alle ganzen Zahlen \(k\) mit \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\) eine Primzahl ist, dann ist \(k^2+k+n\) für alle ganzen Zahlen \(k\) mit \(0\leq k\leq n-2\) eine Primzahl.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(F(x)=x^2+x+n\). Zum Widerspruch nehmen wir an, dass ein \(F(k)\) mit \(0\leq k\leq n-2\) zusammengesetzt ist, und wählen die kleinste solche ganze Zahl \(k\).
Da \(F(k)\) zusammengesetzt ist, besitzt es einen Primteiler \(p\) mit \(p^2\leq F(k)\). Außerdem gilt \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] also \(p<n\).
Sei \(r\) der Rest bei der Division von \(k\) durch \(p\), und setzen wir \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] Dann ist \(t\) eine ganze Zahl mit \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] Außerdem gilt \(t\equiv k\) oder \(t\equiv -k-1\pmod p\). Wegen \[ F(-k-1)=F(k), \] gilt \(p\mid F(t)\). Aber \(F(t)\geq n>p\), also ist \(F(t)\) zusammengesetzt.
Ist \(t<k\), so widerspricht dies der Wahl von \(k\). Folglich gilt \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{also}\qquad p\geq 2k+1. \] Daraus folgt \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] und daher \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] Somit gilt \(0\leq k<\sqrt{n/3}\), und in diesem Bereich ist \(F(k)\) nach Voraussetzung eine Primzahl — ein Widerspruch.
Also ist \(k^2+k+n\) für jede ganze Zahl \(k\) mit \(0\leq k\leq n-2\) eine Primzahl. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1987 · Soru 6
\(n\), \(2\)'den büyük veya \(2\)'ye eşit bir tam sayı olsun. \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\) koşulunu sağlayan tüm \(k\) tam sayıları için \(k^2+k+n\) asal ise, \(0\leq k\leq n-2\) koşulunu sağlayan tüm \(k\) tam sayıları için de \(k^2+k+n\)'nin asal olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(F(x)=x^2+x+n\) yazalım. Çelişki elde etmek için, \(0\leq k\leq n-2\) koşulunu sağlayan bir \(k\) için \(F(k)\)'nin bileşik olduğunu varsayalım ve bu özelliği taşıyan en küçük \(k\) tam sayısını seçelim.
\(F(k)\) bileşik olduğundan, \(p^2\leq F(k)\) koşulunu sağlayan bir \(p\) asal böleni vardır. Ayrıca, \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] dolayısıyla \(p<n\) olur.
\(k\)'nın \(p\)'ye bölümünden kalan \(r\) olsun ve \[ t=\min\{r,p-1-r\} \] olarak tanımlayalım. O zaman \(t\), \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2} \] koşulunu sağlayan bir tam sayıdır. Ayrıca, \(t\equiv k\) veya \(t\equiv -k-1\pmod p\) olur. \[ F(-k-1)=F(k), \] olduğundan \(p\mid F(t)\) elde ederiz. Ancak \(F(t)\geq n>p\) olduğundan, \(F(t)\) bileşiktir.
\(t<k\) ise bu, \(k\)'nın seçimiyle çelişir. Dolayısıyla, \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad p\geq 2k+1. \] Buradan \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] ve dolayısıyla \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2 \] elde edilir. Böylece \(0\leq k<\sqrt{n/3}\) olur; oysa varsayıma göre bu aralıkta \(F(k)\) asaldır. Bu bir çelişkidir.
O hâlde \(0\leq k\leq n-2\) koşulunu sağlayan her \(k\) tam sayısı için \(k^2+k+n\) asaldır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1987 · Problema 6
Sea \(n\) un entero mayor o igual que \(2\). Demostrar que si \(k^2+k+n\) es primo para todos los enteros \(k\) tales que \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\), entonces \(k^2+k+n\) es primo para todos los enteros \(k\) tales que \(0\leq k\leq n-2\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(F(x)=x^2+x+n\). Supongamos, por reducción al absurdo, que algún \(F(k)\) con \(0\leq k\leq n-2\) es compuesto, y elijamos el menor entero \(k\) con esta propiedad.
Como \(F(k)\) es compuesto, tiene un divisor primo \(p\) que satisface \(p^2\leq F(k)\). Además, \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] por lo que \(p<n\).
Sea \(r\) el resto de dividir \(k\) entre \(p\), y sea \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] Entonces \(t\) es un entero que satisface \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] Además, \(t\equiv k\) o \(t\equiv -k-1\pmod p\). Como \[ F(-k-1)=F(k), \] tenemos \(p\mid F(t)\). Pero \(F(t)\geq n>p\), por lo que \(F(t)\) es compuesto.
Si \(t<k\), esto contradice la elección de \(k\). En consecuencia, \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{por tanto}\qquad p\geq 2k+1. \] Se sigue que \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] y, por tanto, \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] Así, \(0\leq k<\sqrt{n/3}\), intervalo en el que la hipótesis afirma que \(F(k)\) es primo, lo que es una contradicción.
Por tanto, \(k^2+k+n\) es primo para todo entero \(k\) con \(0\leq k\leq n-2\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1987 · 问题 6
设 \(n\) 是大于或等于 \(2\) 的整数。证明:若对所有满足 \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\) 的整数 \(k\),\(k^2+k+n\) 都是素数,则对所有满足 \(0\leq k\leq n-2\) 的整数 \(k\),\(k^2+k+n\) 都是素数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(F(x)=x^2+x+n\)。用反证法,假设存在满足 \(0\leq k\leq n-2\) 的 \(k\),使得 \(F(k)\) 是合数,并选取满足此条件的最小整数 \(k\)。
由于 \(F(k)\) 是合数,它有一个素因子 \(p\) 满足 \(p^2\leq F(k)\)。此外, \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] 所以 \(p<n\)。
设 \(r\) 为 \(k\) 除以 \(p\) 的余数,并令 \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] 则 \(t\) 是整数,且满足 \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] 同时,\(t\equiv k\) 或 \(t\equiv -k-1\pmod p\)。由于 \[ F(-k-1)=F(k), \] 可得 \(p\mid F(t)\)。但 \(F(t)\geq n>p\),所以 \(F(t)\) 是合数。
若 \(t<k\),则与 \(k\) 的选取矛盾。因此, \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{从而}\qquad p\geq 2k+1. \] 于是 \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] 因此 \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] 于是 \(0\leq k<\sqrt{n/3}\),而根据题设,此范围内的 \(F(k)\) 是素数,矛盾。
因此,对每个满足 \(0\leq k\leq n-2\) 的整数 \(k\),\(k^2+k+n\) 都是素数。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1987 · Задача 6
Пусть \(n\) — целое число, большее или равное \(2\). Докажите, что если \(k^2+k+n\) — простое число для всех целых \(k\), таких, что \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\), то \(k^2+k+n\) — простое число для всех целых \(k\), таких, что \(0\leq k\leq n-2\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(F(x)=x^2+x+n\). Предположим, от противного, что некоторое \(F(k)\) при \(0\leq k\leq n-2\) составно, и выберем наименьшее такое целое \(k\).
Поскольку \(F(k)\) составно, у него есть простой делитель \(p\), удовлетворяющий условию \(p^2\leq F(k)\). Кроме того, \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] поэтому \(p<n\).
Пусть \(r\) — остаток от деления \(k\) на \(p\), и положим \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] Тогда \(t\) — целое число, удовлетворяющее условию \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] Кроме того, \(t\equiv k\) или \(t\equiv -k-1\pmod p\). Поскольку \[ F(-k-1)=F(k), \] имеем \(p\mid F(t)\). Но \(F(t)\geq n>p\), поэтому \(F(t)\) составно.
Если \(t<k\), то это противоречит выбору \(k\). Следовательно, \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{откуда}\qquad p\geq 2k+1. \] Отсюда следует, что \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] и поэтому \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] Таким образом, \(0\leq k<\sqrt{n/3}\), а в этом диапазоне по условию \(F(k)\) является простым числом — противоречие.
Следовательно, \(k^2+k+n\) — простое число для любого целого \(k\), удовлетворяющего условию \(0\leq k\leq n-2\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1987 · المسألة 6
ليكن \(n\) عددًا صحيحًا أكبر من أو يساوي \(2\). أثبت أنه إذا كان \(k^2+k+n\) عددًا أوليًّا لكل عدد صحيح \(k\) يحقق \(0\leq k\leq \sqrt{n/3}\)، فإن \(k^2+k+n\) عدد أولي لكل عدد صحيح \(k\) يحقق \(0\leq k\leq n-2\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \(F(x)=x^2+x+n\). لنفترض، بغرض الوصول إلى تناقض، أن بعض القيم \(F(k)\) حيث \(0\leq k\leq n-2\) مركبة، ولنختر أصغر عدد صحيح \(k\) يحقق ذلك.
بما أن \(F(k)\) مركب، فإن له قاسمًا أوليًّا \(p\) يحقق \(p^2\leq F(k)\). فضلًا عن ذلك، \[ p^2\leq F(k)\leq F(n-2)=n^2-2n+2<n^2, \] ومن ثم \(p<n\).
ليكن \(r\) باقي قسمة \(k\) على \(p\)، ولنضع \[ t=\min\{r,p-1-r\}. \] عندئذ يكون \(t\) عددًا صحيحًا يحقق \[ 0\leq t\leq \frac{p-1}{2}. \] كذلك، \(t\equiv k\) أو \(t\equiv -k-1\pmod p\). وبما أن \[ F(-k-1)=F(k), \] فإن \(p\mid F(t)\). لكن \(F(t)\geq n>p\)، لذا فإن \(F(t)\) مركب.
إذا كان \(t<k\)، فإن ذلك يناقض اختيار \(k\). وبالتالي، \[ k\leq t\leq\frac{p-1}{2}, \qquad\text{ومن ثم}\qquad p\geq 2k+1. \] ينتج عن ذلك أن \[ k^2+k+n=F(k)\geq p^2\geq(2k+1)^2, \] ولذلك \[ n\geq 3k^2+3k+1>3k^2. \] إذن \(0\leq k<\sqrt{n/3}\)، حيث ينص الفرض على أن \(F(k)\) أولي، وهذا تناقض.
ومن ثم فإن \(k^2+k+n\) أولي لكل عدد صحيح \(k\) يحقق \(0\leq k\leq n-2\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).