IMO 1994 · Problem 1
Let \(m\) and \(n\) be positive integers. Let \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) be distinct elements of \(\{1,2,\ldots,n\}\) such that whenever \(a_i+a_j\le n\) for some \(i,j\), \(1\le i\le j\le m\), there exists \(k\), \(1\le k\le m\), with \(a_i+a_j=a_k\). Prove that \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\) and let \(d=\min A\). The hypothesis implies that \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] This also holds when \(x=d\), since the hypothesis allows \(i=j\).
Partition \(A\) into its nonempty residue classes modulo \(d\). In any one class, let \(b\) be the smallest element and put \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] Repeatedly applying the implication above shows that this class consists exactly of \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd. \] Indeed, all these numbers belong to \(A\), and they exhaust the integers between \(b\) and \(n\) congruent to \(b\) modulo \(d\).
Let \(c=b+qd\) be its last element. By the definition of \(q\), we have \(c+d>n\), so \[ c\ge n-d+1. \] Also \(b\ge d\), because \(d=\min A\). Consequently, the average of the elements in this class is \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] The same calculation applies to a class with only one element.
Thus every nonempty residue class has average at least \((n+1)/2\). Summing their sums gives \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] which proves the required inequality. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1994 · Aufgabe 1
Seien \(m\) und \(n\) positive ganze Zahlen. Seien \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) verschiedene Elemente von \(\{1,2,\ldots,n\}\) mit folgender Eigenschaft: Wenn für gewisse \(i,j\), \(1\le i\le j\le m\), die Ungleichung \(a_i+a_j\le n\) gilt, so gibt es ein \(k\), \(1\le k\le m\), mit \(a_i+a_j=a_k\). Man beweise, dass \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Setzen wir \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\) und sei \(d=\min A\). Aus der Voraussetzung folgt \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] Dies gilt auch für \(x=d\), da die Voraussetzung \(i=j\) zulässt.
Wir zerlegen \(A\) in seine nichtleeren Restklassen modulo \(d\). Sei in einer solchen Klasse \(b\) das kleinste Element, und setzen wir \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] Durch wiederholte Anwendung der obigen Implikation folgt, dass diese Klasse genau aus \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd \] besteht. Tatsächlich gehören alle diese Zahlen zu \(A\), und sie umfassen sämtliche ganzen Zahlen zwischen \(b\) und \(n\), die modulo \(d\) zu \(b\) kongruent sind.
Sei \(c=b+qd\) ihr letztes Element. Nach der Definition von \(q\) gilt \(c+d>n\), also \[ c\ge n-d+1. \] Außerdem gilt \(b\ge d\), da \(d=\min A\). Folglich ist das arithmetische Mittel der Elemente dieser Klasse \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] Dieselbe Rechnung gilt für eine Klasse mit nur einem Element.
Somit hat jede nichtleere Restklasse ein arithmetisches Mittel von mindestens \((n+1)/2\). Addiert man die Summen ihrer Elemente, so erhält man \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] womit die geforderte Ungleichung bewiesen ist. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1994 · Soru 1
\(m\) ve \(n\) pozitif tam sayılar olsun. \(a_1,a_2,\ldots,a_m\), \(\{1,2,\ldots,n\}\) kümesinin birbirinden farklı elemanları olsun ve şu koşulu sağlasın: \(1\le i\le j\le m\) olmak üzere bazı \(i,j\) için \(a_i+a_j\le n\) olduğunda, \(a_i+a_j=a_k\) olacak biçimde \(1\le k\le m\) koşulunu sağlayan bir \(k\) vardır. Şu eşitsizliği kanıtlayınız: \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\) ve \(d=\min A\) olsun. Verilen koşuldan \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A \] elde edilir. Verilen koşul \(i=j\) durumuna da izin verdiğinden, bu çıkarım \(x=d\) için de geçerlidir.
\(A\) kümesini modül \(d\)'ye göre boş olmayan kalan sınıflarına ayıralım. Bu sınıflardan herhangi birinde en küçük eleman \(b\) olsun ve \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor \] olarak tanımlayalım. Yukarıdaki çıkarımın art arda uygulanması, bu sınıfın tam olarak \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd \] elemanlarından oluştuğunu gösterir. Gerçekten de bu sayıların tümü \(A\)'ya aittir ve bunlar \(b\) ile \(n\) arasında modül \(d\)'ye göre \(b\)'ye denk olan tam sayıların tamamıdır.
Sınıfın son elemanı \(c=b+qd\) olsun. \(q\)'nun tanımından \(c+d>n\) olur, dolayısıyla \[ c\ge n-d+1. \] Ayrıca, \(d=\min A\) olduğundan \(b\ge d\)'dir. Buna göre, bu sınıftaki elemanların aritmetik ortalaması için \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2} \] elde edilir. Aynı hesaplama, yalnızca bir elemanı olan sınıflar için de geçerlidir.
Böylece boş olmayan her kalan sınıfının aritmetik ortalaması en az \((n+1)/2\)'dir. Bu sınıfların eleman toplamlarını topladığımızda \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] elde edilir; bu da istenen eşitsizliği kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1994 · Problema 1
Sean \(m\) y \(n\) enteros positivos. Sean \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) elementos distintos de \(\{1,2,\ldots,n\}\) tales que, siempre que \(a_i+a_j\le n\) para ciertos \(i,j\), \(1\le i\le j\le m\), existe \(k\), \(1\le k\le m\), con \(a_i+a_j=a_k\). Demostrar que \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\) y sea \(d=\min A\). La hipótesis implica que \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] Esto también se cumple cuando \(x=d\), pues la hipótesis permite que \(i=j\).
Dividamos \(A\) en sus clases de residuos no vacías módulo \(d\). En una cualquiera de estas clases, sea \(b\) el menor elemento y sea \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] Aplicando repetidamente la implicación anterior, se obtiene que esta clase consta exactamente de \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd. \] En efecto, todos estos números pertenecen a \(A\) y son todos los enteros entre \(b\) y \(n\) congruentes con \(b\) módulo \(d\).
Sea \(c=b+qd\) su último elemento. Por la definición de \(q\), tenemos \(c+d>n\), por lo que \[ c\ge n-d+1. \] Además, \(b\ge d\), pues \(d=\min A\). Por consiguiente, la media de los elementos de esta clase es \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] El mismo cálculo se aplica a una clase con un solo elemento.
Así, toda clase de residuos no vacía tiene una media de al menos \((n+1)/2\). Sumando las sumas de sus elementos, obtenemos \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] lo que demuestra la desigualdad pedida. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1994 · 问题 1
设 \(m\) 和 \(n\) 为正整数。设 \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) 是 \(\{1,2,\ldots,n\}\) 中互不相同的元素,满足:对于任意 \(i,j\),\(1\le i\le j\le m\),只要 \(a_i+a_j\le n\),就存在 \(k\),\(1\le k\le m\),使得 \(a_i+a_j=a_k\)。证明 \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\),并设 \(d=\min A\)。由题设可知 \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] 当 \(x=d\) 时,这一结论也成立,因为题设允许 \(i=j\)。
将 \(A\) 按模 \(d\) 的同余关系划分为若干非空类。在任意一类中,设最小元素为 \(b\),并记 \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] 反复应用上述蕴含关系可知,这一类恰好由以下元素组成: \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd. \] 事实上,这些数都属于 \(A\),且它们涵盖了从 \(b\) 到 \(n\) 之间所有模 \(d\) 与 \(b\) 同余的整数。
设这一类的最后一个元素为 \(c=b+qd\)。由 \(q\) 的定义可知 \(c+d>n\),因此 \[ c\ge n-d+1. \] 又因为 \(d=\min A\),所以 \(b\ge d\)。于是,这一类中各元素的平均值为 \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] 同样的计算也适用于只有一个元素的类。
因此,每个非空同余类中各元素的平均值都不小于 \((n+1)/2\)。将各类的元素之和相加,得 \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] 这就证明了所要求的不等式。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1994 · Задача 1
Пусть \(m\) и \(n\) — положительные целые числа. Пусть \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) — различные элементы множества \(\{1,2,\ldots,n\}\), такие, что всякий раз, когда \(a_i+a_j\le n\) для некоторых \(i,j\), \(1\le i\le j\le m\), существует \(k\), \(1\le k\le m\), для которого \(a_i+a_j=a_k\). Докажите, что \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\) и обозначим \(d=\min A\). Из условия следует, что \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] Это верно и при \(x=d\), поскольку условие допускает \(i=j\).
Разобьём \(A\) на непустые классы вычетов по модулю \(d\). В любом из этих классов обозначим через \(b\) наименьший элемент и положим \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] Последовательно применяя указанную выше импликацию, получаем, что этот класс состоит в точности из чисел \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd. \] Действительно, все эти числа принадлежат \(A\), и они исчерпывают все целые числа от \(b\) до \(n\), сравнимые с \(b\) по модулю \(d\).
Пусть \(c=b+qd\) — последний элемент этого класса. По определению \(q\) имеем \(c+d>n\), поэтому \[ c\ge n-d+1. \] Кроме того, \(b\ge d\), поскольку \(d=\min A\). Следовательно, среднее арифметическое элементов этого класса равно \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] Тот же расчёт применим и к классу, содержащему только один элемент.
Таким образом, среднее арифметическое элементов каждого непустого класса вычетов не меньше \((n+1)/2\). Складывая суммы элементов всех классов, получаем \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] что доказывает требуемое неравенство. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1994 · المسألة 1
ليكن \(m\) و\(n\) عددين صحيحين موجبين. ولتكن \(a_1,a_2,\ldots,a_m\) عناصر متمايزة من \(\{1,2,\ldots,n\}\) بحيث كلما كان \(a_i+a_j\le n\) لبعض \(i,j\)، حيث \(1\le i\le j\le m\)، وُجد \(k\)، حيث \(1\le k\le m\)، يحقق \(a_i+a_j=a_k\). أثبت أن \[ \frac{a_1+a_2+\cdots+a_m}{m}\ge\frac{n+1}{2}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(A=\{a_1,a_2,\ldots,a_m\}\)، وليكن \(d=\min A\). يقتضي الفرض أن \[ x\in A,\qquad x+d\le n \quad\Longrightarrow\quad x+d\in A. \] وهذا صحيح أيضًا عندما \(x=d\)، لأن الفرض يسمح بأن يكون \(i=j\).
نقسّم \(A\) إلى أصناف البواقي غير الخالية بترديد \(d\). في أي صنف منها، ليكن \(b\) أصغر عنصر، ولنضع \[ q=\left\lfloor\frac{n-b}{d}\right\rfloor. \] بتطبيق الاستلزام أعلاه مرارًا، يتبين أن هذا الصنف يتكون بالضبط من \[ b,\ b+d,\ \ldots,\ b+qd. \] فجميع هذه الأعداد تنتمي إلى \(A\)، وهي تشمل كل الأعداد الصحيحة الواقعة بين \(b\) و\(n\) والموافقة لـ\(b\) بترديد \(d\).
ليكن \(c=b+qd\) آخر عنصر فيه. من تعريف \(q\)، لدينا \(c+d>n\)، ومن ثم \[ c\ge n-d+1. \] ولدينا أيضًا \(b\ge d\)، لأن \(d=\min A\). وبالتالي، فإن المتوسط الحسابي لعناصر هذا الصنف هو \[ \frac{b+c}{2}\ge\frac{d+(n-d+1)}{2}=\frac{n+1}{2}. \] وينطبق الحساب نفسه على الصنف الذي يحتوي على عنصر واحد فقط.
إذن، المتوسط الحسابي لكل صنف بواقٍ غير خالٍ لا يقل عن \((n+1)/2\). وبجمع مجاميع عناصر هذه الأصناف، نحصل على \[ a_1+a_2+\cdots+a_m\ge m\frac{n+1}{2}, \] وهذا يثبت المتباينة المطلوبة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).