IMO 1993 · Problem 1
Let \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\), where \(n > 1\) is an integer. Prove that \(f(x)\) cannot be expressed as the product of two nonconstant polynomials with integer coefficients.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Suppose, for a contradiction, that \(f=gh\), where \(g,h\in\mathbb Z[x]\) are nonconstant. Their leading coefficients multiply to \(1\), so, changing both signs if necessary, we may assume that both are monic.
Since \[ g(0)h(0)=3, \] we may interchange the factors so that \(g(0)\in\{1,-1\}\).
Write \(\overline g,\overline h\) for their reductions modulo \(3\). In \(\mathbb F_3[x]\), \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] Because \(\overline g(0)\ne0\), the polynomials \(\overline g\) and \(x^{n-1}\) are relatively prime. Hence \(\overline g\) divides \(x-1\).
As \(g\) is monic, reduction modulo \(3\) preserves its degree and leading coefficient. Thus \(\overline g\) is nonconstant and monic, forcing \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1. \] Consequently \(g=x+c\), where \(c=g(0)\in\{1,-1\}\). Its reduction gives \(c\equiv-1\pmod3\), so \(c=-1\).
Therefore \(x-1\) divides \(f\), contradicting \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] This proves the assertion for every integer \(n>1\). \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1993 · Aufgabe 1
Sei \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\), wobei \(n > 1\) eine ganze Zahl ist. Beweise, dass sich \(f(x)\) nicht als Produkt zweier nichtkonstanter Polynome mit ganzzahligen Koeffizienten darstellen lässt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Nehmen wir zum Widerspruch an, dass \(f=gh\) gilt, wobei \(g,h\in\mathbb Z[x]\) nichtkonstant sind. Das Produkt ihrer Leitkoeffizienten ist \(1\); indem wir gegebenenfalls beide Vorzeichen ändern, können wir also annehmen, dass beide normiert sind.
Wegen \[ g(0)h(0)=3, \] können wir die Faktoren so vertauschen, dass \(g(0)\in\{1,-1\}\) gilt.
Bezeichnen wir ihre Reduktionen modulo \(3\) mit \(\overline g,\overline h\). In \(\mathbb F_3[x]\) gilt \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] Da \(\overline g(0)\ne0\) ist, sind die Polynome \(\overline g\) und \(x^{n-1}\) teilerfremd. Daher teilt \(\overline g\) das Polynom \(x-1\).
Da \(g\) normiert ist, bleiben bei der Reduktion modulo \(3\) sein Grad und sein Leitkoeffizient erhalten. Somit ist \(\overline g\) nichtkonstant und normiert, woraus \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1 \] folgt. Folglich ist \(g=x+c\), wobei \(c=g(0)\in\{1,-1\}\). Seine Reduktion liefert \(c\equiv-1\pmod3\), also \(c=-1\).
Somit teilt \(x-1\) das Polynom \(f\), im Widerspruch zu \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] Damit ist die Behauptung für jede ganze Zahl \(n>1\) bewiesen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1993 · Soru 1
\(n > 1\) bir tam sayı olmak üzere, \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\) olsun. \(f(x)\)'in tam sayı katsayılı, sabit olmayan iki polinomun çarpımı olarak ifade edilemeyeceğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çelişki elde etmek üzere, sabit olmayan \(g,h\in\mathbb Z[x]\) polinomları için \(f=gh\) olduğunu varsayalım. Başkatsayılarının çarpımı \(1\) olduğundan, gerekirse her ikisinin de işaretini değiştirerek ikisinin de birim başkatsayılı olduğunu kabul edebiliriz.
\[ g(0)h(0)=3, \] olduğundan, gerekirse çarpanların yerlerini değiştirerek \(g(0)\in\{1,-1\}\) olmasını sağlayabiliriz.
Bu polinomların modül \(3\)'teki indirgenmiş hâllerini \(\overline g,\overline h\) ile gösterelim. \(\mathbb F_3[x]\)'te \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] \(\overline g(0)\ne0\) olduğundan, \(\overline g\) ve \(x^{n-1}\) polinomları aralarında asaldır. Dolayısıyla \(\overline g\), \(x-1\)'i böler.
\(g\) birim başkatsayılı olduğundan, modül \(3\)'te indirgeme derecesini ve başkatsayısını korur. Bu nedenle \(\overline g\) sabit değildir ve birim başkatsayılıdır; buradan \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1 \] elde edilir. Sonuç olarak, \(c=g(0)\in\{1,-1\}\) olmak üzere \(g=x+c\)'dir. İndirgenmiş hâlinden \(c\equiv-1\pmod3\) elde edilir, dolayısıyla \(c=-1\)'dir.
O hâlde \(x-1\), \(f\)'yi böler; bu ise \[ f(1)=1+5+3=9\ne0 \] ile çelişir. Böylece iddia her \(n>1\) tam sayısı için kanıtlanmış olur. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1993 · Problema 1
Sea \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\), donde \(n > 1\) es un entero. Demostrar que \(f(x)\) no puede expresarse como producto de dos polinomios no constantes con coeficientes enteros.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Supongamos, para llegar a una contradicción, que \(f=gh\), donde \(g,h\in\mathbb Z[x]\) son no constantes. El producto de sus coeficientes principales es \(1\), por lo que, cambiando ambos signos si es necesario, podemos suponer que ambos son mónicos.
Como \[ g(0)h(0)=3, \] podemos intercambiar los factores de modo que \(g(0)\in\{1,-1\}\).
Denotemos por \(\overline g,\overline h\) sus reducciones módulo \(3\). En \(\mathbb F_3[x]\), \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] Como \(\overline g(0)\ne0\), los polinomios \(\overline g\) y \(x^{n-1}\) son primos entre sí. Por tanto, \(\overline g\) divide a \(x-1\).
Como \(g\) es mónico, la reducción módulo \(3\) conserva su grado y su coeficiente principal. Así pues, \(\overline g\) es no constante y mónico, lo que obliga a que \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1. \] En consecuencia, \(g=x+c\), donde \(c=g(0)\in\{1,-1\}\). Su reducción da \(c\equiv-1\pmod3\), por lo que \(c=-1\).
Por tanto, \(x-1\) divide a \(f\), lo que contradice \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] Esto demuestra la afirmación para todo entero \(n>1\). \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1993 · 问题 1
设 \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\),其中 \(n > 1\) 为整数。证明:\(f(x)\) 不能表示为两个非常数整系数多项式的乘积。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用反证法,假设 \(f=gh\),其中 \(g,h\in\mathbb Z[x]\) 均为非常数多项式。它们的首项系数之积为 \(1\),因此必要时同时改变两者的符号,便可假设它们都是首一多项式。
由于 \[ g(0)h(0)=3, \] 交换两个因式的位置后,不妨设 \(g(0)\in\{1,-1\}\)。
用 \(\overline g,\overline h\) 表示它们的系数模 \(3\) 约化后得到的多项式。在 \(\mathbb F_3[x]\) 中, \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] 由于 \(\overline g(0)\ne0\),多项式 \(\overline g\) 与 \(x^{n-1}\) 互素。因此 \(\overline g\) 整除 \(x-1\)。
由于 \(g\) 是首一多项式,模 \(3\) 约化不改变它的次数和首项系数。因此 \(\overline g\) 是非常数首一多项式,从而必有 \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1. \] 于是 \(g=x+c\),其中 \(c=g(0)\in\{1,-1\}\)。由它的模 \(3\) 约化可知 \(c\equiv-1\pmod3\),故 \(c=-1\)。
因此 \(x-1\) 整除 \(f\),这与 \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] 矛盾。这就证明了该结论对每个整数 \(n>1\) 都成立。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1993 · Задача 1
Пусть \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\), где \(n > 1\) — целое число. Докажите, что \(f(x)\) нельзя представить в виде произведения двух многочленов положительной степени с целыми коэффициентами.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Предположим противное: \(f=gh\), где \(g,h\in\mathbb Z[x]\) — многочлены положительной степени. Произведение их старших коэффициентов равно \(1\), поэтому, при необходимости изменив знаки обоих многочленов, можно считать, что оба они приведённые.
Поскольку \[ g(0)h(0)=3, \] можно переставить множители так, чтобы \(g(0)\in\{1,-1\}\).
Обозначим через \(\overline g,\overline h\) их редукции по модулю \(3\). В \(\mathbb F_3[x]\) имеем \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] Так как \(\overline g(0)\ne0\), многочлены \(\overline g\) и \(x^{n-1}\) взаимно просты. Следовательно, \(\overline g\) делит \(x-1\).
Поскольку многочлен \(g\) приведённый, редукция по модулю \(3\) сохраняет его степень и старший коэффициент. Поэтому \(\overline g\) — приведённый многочлен положительной степени, откуда \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1. \] Следовательно, \(g=x+c\), где \(c=g(0)\in\{1,-1\}\). Из его редукции получаем \(c\equiv-1\pmod3\), так что \(c=-1\).
Таким образом, \(x-1\) делит \(f\), что противоречит равенству \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] Утверждение доказано для любого целого \(n>1\). \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1993 · المسألة 1
لتكن \(f(x) = x^n + 5x^{n-1} + 3\)، حيث \(n > 1\) عدد صحيح. أثبت أنه لا يمكن التعبير عن \(f(x)\) على صورة حاصل ضرب كثيرتي حدود غير ثابتتين بمعاملات صحيحة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنفترض، وصولًا إلى تناقض، أن \(f=gh\)، حيث \(g,h\in\mathbb Z[x]\) غير ثابتتين. حاصل ضرب معامليهما الرئيسيين يساوي \(1\)، لذا يمكننا، بتغيير إشارتيهما معًا عند الحاجة، أن نفترض أن كلتيهما أحادية المعامل الرئيسي.
بما أن \[ g(0)h(0)=3, \] فيمكننا تبديل العاملين بحيث يكون \(g(0)\in\{1,-1\}\).
لنرمز بـ \(\overline g,\overline h\) إلى اختزالهما بترديد \(3\). في \(\mathbb F_3[x]\)، لدينا \[ \overline g(x)\,\overline h(x) =x^n+2x^{n-1} =x^{n-1}(x-1). \] ولأن \(\overline g(0)\ne0\)، فإن كثيرتي الحدود \(\overline g\) و\(x^{n-1}\) أوليتان فيما بينهما. ومن ثم فإن \(\overline g\) تقسم \(x-1\).
بما أن \(g\) أحادية المعامل الرئيسي، فإن الاختزال بترديد \(3\) يحافظ على درجتها ومعاملها الرئيسي. وعليه فإن \(\overline g\) غير ثابتة وأحادية المعامل الرئيسي، مما يقتضي \[ \overline g=x-1,\qquad \deg g=1. \] وبالتالي \(g=x+c\)، حيث \(c=g(0)\in\{1,-1\}\). ويعطي اختزالها \(c\equiv-1\pmod3\)، لذا \(c=-1\).
إذن \(x-1\) تقسم \(f\)، وهذا يناقض \[ f(1)=1+5+3=9\ne0. \] وهذا يثبت المطلوب لكل عدد صحيح \(n>1\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).