IMO 1991 · Problem 2
Let \(n>6\) be an integer and \(a_1,a_2,\ldots,a_k\) be all the natural numbers less than \(n\) and relatively prime to \(n\). If \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] prove that \(n\) must be either a prime number or a power of \(2\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(d\) be the common difference. Since the terms are increasing and include every natural number less than \(n\) and relatively prime to \(n\), we have \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] In particular, the difference of any two numbers in the list is divisible by \(d\).
If \(n\) is odd, both \(1\) and \(2\) are relatively prime to \(n\). Thus \(d\mid 1\), so \(d=1\). Consequently every integer from \(1\) to \(n-1\) is relatively prime to \(n\). A composite \(n\) would have a divisor strictly between \(1\) and \(n\), contradicting this. Hence \(n\) is prime.
Now suppose that \(n\) is even. Every term in the list is odd, so \(d\) is even. We show that \(d=2\). Write \(n=2m\).
-
If \(m\) is even, the numbers \(m-1\) and \(m+1\) lie between \(1\) and \(n-1\), and \[ \gcd(2m,m-1)=\gcd(2,m-1)=1,\qquad \gcd(2m,m+1)=\gcd(2,m+1)=1. \] Thus both occur in the list. Their difference is \(2\), so \(d\mid 2\).
-
If \(m\) is odd, the hypothesis \(n>6\) gives \(m\ge5\). Hence \(m-4\) and \(m-2\) are positive odd integers less than \(n\). Moreover, \[ \gcd(2m,m-4)=\gcd(8,m-4)=1,\qquad \gcd(2m,m-2)=\gcd(4,m-2)=1. \] These two numbers also occur in the list and differ by \(2\), so again \(d\mid 2\).
Since \(d\) is positive and even, in either case \(d=2\). The list therefore consists of all odd integers from \(1\) to \(n-1\).
If \(n\) had an odd prime divisor \(p\), then, because \(n\) is even, \(1<p<n\). Thus \(p\) would belong to the list, contradicting \(\gcd(p,n)=p>1\). Consequently \(2\) is the only prime divisor of \(n\), and \(n\) is a power of \(2\).
This proves the required conclusion. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1991 · Aufgabe 2
Es sei \(n>6\) eine ganze Zahl, und \(a_1,a_2,\ldots,a_k\) seien sämtliche natürlichen Zahlen, die kleiner als \(n\) und teilerfremd zu \(n\) sind. Falls \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] beweise man, dass \(n\) entweder eine Primzahl oder eine Potenz von \(2\) sein muss.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es sei \(d\) die gemeinsame Differenz. Da die Glieder aufsteigend geordnet sind und jede natürliche Zahl enthalten, die kleiner als \(n\) und teilerfremd zu \(n\) ist, gilt \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] Insbesondere ist die Differenz je zweier Zahlen in der Liste durch \(d\) teilbar.
Ist \(n\) ungerade, so sind sowohl \(1\) als auch \(2\) teilerfremd zu \(n\). Somit gilt \(d\mid 1\), also \(d=1\). Folglich ist jede ganze Zahl von \(1\) bis \(n-1\) teilerfremd zu \(n\). Wäre \(n\) zusammengesetzt, so hätte \(n\) einen Teiler, der echt zwischen \(1\) und \(n\) liegt, im Widerspruch dazu. Also ist \(n\) eine Primzahl.
Nun sei \(n\) gerade. Jedes Glied der Liste ist ungerade, also ist \(d\) gerade. Wir zeigen, dass \(d=2\). Wir schreiben \(n=2m\).
-
Ist \(m\) gerade, so liegen die Zahlen \(m-1\) und \(m+1\) zwischen \(1\) und \(n-1\), und es gilt \[ \operatorname{ggT}(2m,m-1)=\operatorname{ggT}(2,m-1)=1,\qquad \operatorname{ggT}(2m,m+1)=\operatorname{ggT}(2,m+1)=1. \] Somit kommen beide in der Liste vor. Ihre Differenz ist \(2\), also gilt \(d\mid 2\).
-
Ist \(m\) ungerade, so folgt aus der Voraussetzung \(n>6\), dass \(m\ge5\). Daher sind \(m-4\) und \(m-2\) positive ungerade ganze Zahlen, die kleiner als \(n\) sind. Außerdem gilt \[ \operatorname{ggT}(2m,m-4)=\operatorname{ggT}(8,m-4)=1,\qquad \operatorname{ggT}(2m,m-2)=\operatorname{ggT}(4,m-2)=1. \] Auch diese beiden Zahlen kommen in der Liste vor und haben die Differenz \(2\), also gilt wiederum \(d\mid 2\).
Da \(d\) positiv und gerade ist, gilt in beiden Fällen \(d=2\). Die Liste besteht somit aus allen ungeraden ganzen Zahlen von \(1\) bis \(n-1\).
Hätte \(n\) einen ungeraden Primteiler \(p\), so wäre \(1<p<n\), da \(n\) gerade ist. Somit würde \(p\) zur Liste gehören, im Widerspruch zu \(\operatorname{ggT}(p,n)=p>1\). Folglich ist \(2\) der einzige Primteiler von \(n\), und \(n\) ist eine Potenz von \(2\).
Damit ist die Behauptung bewiesen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1991 · Soru 2
\(n>6\) bir tam sayı ve \(a_1,a_2,\ldots,a_k\), \(n\)'den küçük ve \(n\) ile aralarında asal olan doğal sayıların tümü olsun. Eğer \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0 \] ise, \(n\)'nin bir asal sayı ya da \(2\)'nin bir kuvveti olması gerektiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Ortak fark \(d\) olsun. Terimler artan sırada olduğundan ve \(n\)'den küçük, \(n\) ile aralarında asal olan her doğal sayıyı içerdiğinden, \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d \] olur. Özellikle, listedeki herhangi iki sayının farkı \(d\) ile bölünür.
\(n\) tek ise, hem \(1\) hem de \(2\), \(n\) ile aralarında asaldır. Dolayısıyla \(d\mid 1\), yani \(d=1\) olur. Bunun sonucunda, \(1\)'den \(n-1\)'e kadar her tam sayı \(n\) ile aralarında asaldır. \(n\) bileşik olsaydı, \(1\) ile \(n\) arasında bir böleni bulunurdu ve bu bir çelişki olurdu. O hâlde \(n\) asaldır.
Şimdi \(n\)'nin çift olduğunu varsayalım. Listedeki her terim tek olduğundan \(d\) çifttir. \(d=2\) olduğunu göstereceğiz. \(n=2m\) yazalım.
-
\(m\) çift ise, \(m-1\) ve \(m+1\) sayıları \(1\) ile \(n-1\) arasındadır ve \[ \operatorname{ebob}(2m,m-1)=\operatorname{ebob}(2,m-1)=1,\qquad \operatorname{ebob}(2m,m+1)=\operatorname{ebob}(2,m+1)=1. \] Dolayısıyla her ikisi de listede yer alır. Farkları \(2\) olduğundan \(d\mid 2\) olur.
-
\(m\) tek ise, \(n>6\) varsayımından \(m\ge5\) elde edilir. Dolayısıyla \(m-4\) ve \(m-2\), \(n\)'den küçük pozitif tek tam sayılardır. Ayrıca, \[ \operatorname{ebob}(2m,m-4)=\operatorname{ebob}(8,m-4)=1,\qquad \operatorname{ebob}(2m,m-2)=\operatorname{ebob}(4,m-2)=1. \] Bu iki sayı da listede yer alır ve farkları \(2\) olduğundan yine \(d\mid 2\) olur.
\(d\) pozitif ve çift olduğundan, her iki durumda da \(d=2\) olur. Dolayısıyla liste, \(1\)'den \(n-1\)'e kadar tüm tek tam sayılardan oluşur.
\(n\)'nin bir tek asal böleni \(p\) olsaydı, \(n\) çift olduğundan \(1<p<n\) olurdu. Dolayısıyla \(p\) listede yer alırdı; bu ise \(\operatorname{ebob}(p,n)=p>1\) olmasıyla çelişir. O hâlde \(n\)'nin tek asal böleni \(2\)'dir ve \(n\), \(2\)'nin bir kuvvetidir.
Böylece istenen sonuç kanıtlanmış olur. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1991 · Problema 2
Sea \(n>6\) un entero y sean \(a_1,a_2,\ldots,a_k\) todos los números naturales menores que \(n\) y primos con \(n\). Si \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] demostrar que \(n\) debe ser un número primo o una potencia de \(2\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(d\) la diferencia común. Como los términos son crecientes e incluyen todos los números naturales menores que \(n\) y primos con \(n\), tenemos \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] En particular, la diferencia de cualesquiera dos números de la lista es divisible por \(d\).
Si \(n\) es impar, tanto \(1\) como \(2\) son primos con \(n\). Así, \(d\mid 1\), por lo que \(d=1\). Por consiguiente, todos los enteros desde \(1\) hasta \(n-1\) son primos con \(n\). Si \(n\) fuera compuesto, tendría un divisor estrictamente comprendido entre \(1\) y \(n\), lo que contradice lo anterior. Por tanto, \(n\) es primo.
Supongamos ahora que \(n\) es par. Todos los términos de la lista son impares, de modo que \(d\) es par. Demostraremos que \(d=2\). Escribamos \(n=2m\).
-
Si \(m\) es par, los números \(m-1\) y \(m+1\) están entre \(1\) y \(n-1\), y \[ \operatorname{mcd}(2m,m-1)=\operatorname{mcd}(2,m-1)=1,\qquad \operatorname{mcd}(2m,m+1)=\operatorname{mcd}(2,m+1)=1. \] Así, ambos aparecen en la lista. Su diferencia es \(2\), por lo que \(d\mid 2\).
-
Si \(m\) es impar, la hipótesis \(n>6\) da \(m\ge5\). Por tanto, \(m-4\) y \(m-2\) son enteros positivos impares menores que \(n\). Además, \[ \operatorname{mcd}(2m,m-4)=\operatorname{mcd}(8,m-4)=1,\qquad \operatorname{mcd}(2m,m-2)=\operatorname{mcd}(4,m-2)=1. \] Estos dos números también aparecen en la lista y su diferencia es \(2\), por lo que de nuevo \(d\mid 2\).
Como \(d\) es positivo y par, en ambos casos \(d=2\). Por tanto, la lista consta de todos los enteros impares desde \(1\) hasta \(n-1\).
Si \(n\) tuviera un divisor primo impar \(p\), entonces, como \(n\) es par, \(1<p<n\). Así, \(p\) pertenecería a la lista, lo que contradice \(\operatorname{mcd}(p,n)=p>1\). Por consiguiente, \(2\) es el único divisor primo de \(n\), y \(n\) es una potencia de \(2\).
Esto demuestra la conclusión requerida. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1991 · 问题 2
设 \(n>6\) 为整数,\(a_1,a_2,\ldots,a_k\) 为所有小于 \(n\) 且与 \(n\) 互素的自然数。若 \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] 证明 \(n\) 必为素数或 \(2\) 的幂。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设公差为 \(d\)。由于各项递增,且包含所有小于 \(n\) 并与 \(n\) 互素的自然数,因此 \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] 特别地,数列中任意两数之差都能被 \(d\) 整除。
若 \(n\) 为奇数,则 \(1\) 和 \(2\) 都与 \(n\) 互素。因此 \(d\mid 1\),故 \(d=1\)。于是从 \(1\) 到 \(n-1\) 的每个整数都与 \(n\) 互素。如果 \(n\) 为合数,它就有一个严格介于 \(1\) 与 \(n\) 之间的因数,与此矛盾。因此 \(n\) 为素数。
现在假设 \(n\) 为偶数。数列中的每一项都是奇数,因此 \(d\) 为偶数。下面证明 \(d=2\)。记 \(n=2m\)。
-
若 \(m\) 为偶数,则 \(m-1\) 和 \(m+1\) 都介于 \(1\) 与 \(n-1\) 之间,且 \[ \gcd(2m,m-1)=\gcd(2,m-1)=1,\qquad \gcd(2m,m+1)=\gcd(2,m+1)=1. \] 因此这两个数都出现在数列中。它们的差为 \(2\),故 \(d\mid 2\)。
-
若 \(m\) 为奇数,由条件 \(n>6\) 可得 \(m\ge5\)。于是 \(m-4\) 和 \(m-2\) 都是小于 \(n\) 的正奇数。此外, \[ \gcd(2m,m-4)=\gcd(8,m-4)=1,\qquad \gcd(2m,m-2)=\gcd(4,m-2)=1. \] 这两个数也都出现在数列中,且相差 \(2\),故仍有 \(d\mid 2\)。
由于 \(d\) 为正偶数,两种情况下都有 \(d=2\)。因此,该数列由从 \(1\) 到 \(n-1\) 的所有奇数组成。
若 \(n\) 有奇素因数 \(p\),则由于 \(n\) 为偶数,有 \(1<p<n\)。于是 \(p\) 应出现在数列中,这与 \(\gcd(p,n)=p>1\) 矛盾。因此 \(2\) 是 \(n\) 唯一的素因数,故 \(n\) 为 \(2\) 的幂。
所需结论得证。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1991 · Задача 2
Пусть \(n>6\) — целое число, а \(a_1,a_2,\ldots,a_k\) — все натуральные числа, меньшие \(n\) и взаимно простые с \(n\). Если \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] докажите, что \(n\) является либо простым числом, либо степенью \(2\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(d\) — общая разность. Поскольку члены последовательности возрастают и среди них есть каждое натуральное число, меньшее \(n\) и взаимно простое с \(n\), имеем \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] В частности, разность любых двух чисел в списке делится на \(d\).
Если \(n\) нечётно, то и \(1\), и \(2\) взаимно просты с \(n\). Поэтому \(d\mid 1\), откуда \(d=1\). Следовательно, каждое целое число от \(1\) до \(n-1\) взаимно просто с \(n\). Если бы \(n\) было составным, у него был бы делитель, строго больший \(1\) и строго меньший \(n\), что противоречит сказанному. Значит, \(n\) — простое число.
Теперь предположим, что \(n\) чётно. Все числа в списке нечётны, поэтому \(d\) чётно. Покажем, что \(d=2\). Запишем \(n=2m\).
-
Если \(m\) чётно, то числа \(m-1\) и \(m+1\) лежат между \(1\) и \(n-1\), причём \[ \operatorname{НОД}(2m,m-1)=\operatorname{НОД}(2,m-1)=1,\qquad \operatorname{НОД}(2m,m+1)=\operatorname{НОД}(2,m+1)=1. \] Поэтому оба числа входят в список. Их разность равна \(2\), так что \(d\mid 2\).
-
Если \(m\) нечётно, то из условия \(n>6\) следует \(m\ge5\). Поэтому \(m-4\) и \(m-2\) — положительные нечётные целые числа, меньшие \(n\). Кроме того, \[ \operatorname{НОД}(2m,m-4)=\operatorname{НОД}(8,m-4)=1,\qquad \operatorname{НОД}(2m,m-2)=\operatorname{НОД}(4,m-2)=1. \] Эти два числа также входят в список и отличаются на \(2\), поэтому снова \(d\mid 2\).
Поскольку \(d\) положительно и чётно, в обоих случаях \(d=2\). Следовательно, список состоит из всех нечётных целых чисел от \(1\) до \(n-1\).
Если бы у \(n\) был нечётный простой делитель \(p\), то в силу чётности \(n\) выполнялось бы \(1<p<n\). Поэтому \(p\) входило бы в список, что противоречит равенству \(\operatorname{НОД}(p,n)=p>1\). Следовательно, \(2\) — единственный простой делитель \(n\), и \(n\) является степенью \(2\).
Требуемое утверждение доказано. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1991 · المسألة 2
ليكن \(n>6\) عددًا صحيحًا، ولتكن \(a_1,a_2,\ldots,a_k\) جميع الأعداد الطبيعية الأصغر من \(n\) والأولية نسبيًا معه. إذا كان \[ a_2-a_1=a_3-a_2=\cdots=a_k-a_{k-1}>0, \] فأثبت أن \(n\) لا بد أن يكون عددًا أوليًا أو قوة للعدد \(2\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(d\) الفرق المشترك. بما أن الحدود متزايدة وتشمل كل عدد طبيعي أصغر من \(n\) وأولي نسبيًا معه، فإن لدينا \[ a_1=1,\qquad a_k=n-1,\qquad a_i=1+(i-1)d. \] وعلى وجه الخصوص، فإن الفرق بين أي عددين في القائمة يقبل القسمة على \(d\).
إذا كان \(n\) فرديًا، فإن كلًا من \(1\) و\(2\) أولي نسبيًا مع \(n\). إذن \(d\mid 1\)، ومن ثم \(d=1\). وبالتالي يكون كل عدد صحيح من \(1\) إلى \(n-1\) أوليًا نسبيًا مع \(n\). ولو كان \(n\) مركبًا، لكان له قاسم أكبر من \(1\) وأصغر من \(n\)، وهذا يناقض ما سبق. إذن \(n\) أولي.
لنفترض الآن أن \(n\) زوجي. كل حد في القائمة فردي، لذا فإن \(d\) زوجي. سنثبت أن \(d=2\). نكتب \(n=2m\).
-
إذا كان \(m\) زوجيًا، فإن العددين \(m-1\) و\(m+1\) يقعان بين \(1\) و\(n-1\)، ولدينا \[ \gcd(2m,m-1)=\gcd(2,m-1)=1,\qquad \gcd(2m,m+1)=\gcd(2,m+1)=1. \] إذن كلاهما وارد في القائمة. والفرق بينهما هو \(2\)، ومن ثم \(d\mid 2\).
-
إذا كان \(m\) فرديًا، فإن الفرض \(n>6\) يعطي \(m\ge5\). ومن ثم فإن \(m-4\) و\(m-2\) عددان صحيحان موجبان فرديان أصغر من \(n\). علاوة على ذلك، \[ \gcd(2m,m-4)=\gcd(8,m-4)=1,\qquad \gcd(2m,m-2)=\gcd(4,m-2)=1. \] هذان العددان واردان أيضًا في القائمة والفرق بينهما \(2\)، ومن ثم نحصل مجددًا على \(d\mid 2\).
بما أن \(d\) موجب وزوجي، فإن \(d=2\) في كلتا الحالتين. لذا تتكون القائمة من جميع الأعداد الصحيحة الفردية من \(1\) إلى \(n-1\).
لو كان لـ\(n\) قاسم أولي فردي \(p\)، لكان \(1<p<n\)، لأن \(n\) زوجي. ومن ثم لكان \(p\) واردًا في القائمة، وهذا يناقض \(\gcd(p,n)=p>1\). وبالتالي فإن \(2\) هو القاسم الأولي الوحيد لـ\(n\)، ويكون \(n\) قوة للعدد \(2\).
وبذلك تثبت النتيجة المطلوبة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).