IMO 1994 · Problem 3
For any positive integer \(k\), let \(f(k)\) be the number of elements in the set \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\) whose base 2 representation has precisely three 1s.
- (a) Prove that, for each positive integer \(m\), there exists at least one positive integer \(k\) such that \(f(k)=m\).
- (b) Determine all positive integers \(m\) for which there exists exactly one \(k\) with \(f(k)=m\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The positive integers in part (b) are exactly \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] For each such \(m\), the unique corresponding integer is \(k=2^r+2\).
Solution
Let \(s(n)\) denote the number of 1s in the binary representation of \(n\). We first prove that \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
Indeed, passing from the set \(\{k+1,\ldots,2k\}\) to \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\) removes \(k+1\) and adds \(2k+1\) and \(2k+2\). Since \[ s(2k+2)=s(k+1), \] the contributions of \(k+1\) and \(2k+2\) cancel. Moreover, \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] so the remaining contribution is 1 precisely when \(s(k)=2\). This proves (1).
Since \(f(1)=0\), summing (1) gives \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
Part (a). List the positive integers having exactly two binary 1s in increasing order: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] This sequence is infinite, since it contains \(2^r+1\) for every integer \(r\ge1\). By (2), for every positive integer \(m\), \[ f(a_m+1)=m. \] Thus every positive integer \(m\) is attained.
Part (b). Formula (2) shows that \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] Consequently, the number of integers \(k\) satisfying \(f(k)=m\) is \(a_{m+1}-a_m\). There is exactly one such \(k\) if and only if \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
We therefore determine when two consecutive integers both have exactly two binary 1s. Suppose \(s(n)=s(n+1)=2\).
If \(n\) is even, adding 1 changes its final binary digit from 0 to 1 without affecting any other digit. This gives \(s(n+1)=3\), a contradiction. Hence \(n\) is odd. Since \(s(n)=2\), it follows that \[ n=2^r+1 \] for some integer \(r\ge1\). If \(r=1\), then \(n+1=4\) has only one binary 1. If \(r\ge2\), however, \[ n+1=2^r+2 \] has exactly two binary 1s. Thus all such consecutive pairs are precisely \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
There are exactly \(\binom r2\) positive integers below \(2^r\) with two binary 1s: their two occupied positions can be chosen arbitrarily from positions \(0,1,\ldots,r-1\). The smallest integer at least \(2^r\) with two binary 1s is \(2^r+1\). Therefore \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] Together with (3) and (4), this proves that uniqueness holds exactly for \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] and the unique integer is \(k=a_m+1=2^r+2\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1994 · Aufgabe 3
Für jede positive ganze Zahl \(k\) sei \(f(k)\) die Anzahl der Elemente der Menge \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\), deren Darstellung zur Basis 2 genau drei Einsen enthält.
- (a) Man beweise, dass es zu jeder positiven ganzen Zahl \(m\) mindestens eine positive ganze Zahl \(k\) mit \(f(k)=m\) gibt.
- (b) Man bestimme alle positiven ganzen Zahlen \(m\), für die es genau ein \(k\) mit \(f(k)=m\) gibt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die positiven ganzen Zahlen aus Teil (b) sind genau \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] Für jedes solche \(m\) ist die einzige zugehörige ganze Zahl \(k=2^r+2\).
Lösung
Mit \(s(n)\) bezeichnen wir die Anzahl der Einsen in der Binärdarstellung von \(n\). Wir beweisen zunächst, dass \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
Beim Übergang von der Menge \(\{k+1,\ldots,2k\}\) zur Menge \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\) wird nämlich \(k+1\) entfernt, und \(2k+1\) sowie \(2k+2\) werden hinzugefügt. Wegen \[ s(2k+2)=s(k+1), \] heben sich die Beiträge von \(k+1\) und \(2k+2\) auf. Außerdem gilt \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] also ist der verbleibende Beitrag genau dann 1, wenn \(s(k)=2\) gilt. Damit ist (1) bewiesen.
Wegen \(f(1)=0\) ergibt sich durch Summieren von (1) \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
Teil (a). Wir ordnen die positiven ganzen Zahlen, deren Binärdarstellung genau zwei Einsen enthält, der Größe nach: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] Diese Folge ist unendlich, da sie für jede ganze Zahl \(r\ge1\) die Zahl \(2^r+1\) enthält. Nach (2) gilt für jede positive ganze Zahl \(m\) \[ f(a_m+1)=m. \] Somit wird jede positive ganze Zahl \(m\) als Wert angenommen.
Teil (b). Formel (2) zeigt, dass \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] Folglich ist die Anzahl der ganzen Zahlen \(k\) mit \(f(k)=m\) gleich \(a_{m+1}-a_m\). Genau dann gibt es genau ein solches \(k\), wenn \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
Wir bestimmen daher, wann zwei aufeinanderfolgende ganze Zahlen beide genau zwei Einsen in ihrer Binärdarstellung haben. Es gelte \(s(n)=s(n+1)=2\).
Ist \(n\) gerade, so ändert die Addition von 1 die letzte Binärziffer von 0 in 1, ohne eine andere Ziffer zu verändern. Dies ergibt \(s(n+1)=3\), einen Widerspruch. Also ist \(n\) ungerade. Wegen \(s(n)=2\) folgt \[ n=2^r+1 \] für eine ganze Zahl \(r\ge1\). Ist \(r=1\), so hat \(n+1=4\) nur eine Eins in seiner Binärdarstellung. Ist jedoch \(r\ge2\), so hat \[ n+1=2^r+2 \] genau zwei Einsen in seiner Binärdarstellung. Somit sind alle solchen Paare aufeinanderfolgender Zahlen genau \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
Es gibt genau \(\binom r2\) positive ganze Zahlen unterhalb von \(2^r\) mit zwei Einsen in ihrer Binärdarstellung: Die beiden mit Einsen besetzten Stellen können beliebig aus den Stellen \(0,1,\ldots,r-1\) gewählt werden. Die kleinste ganze Zahl, die mindestens \(2^r\) beträgt und zwei Einsen in ihrer Binärdarstellung hat, ist \(2^r+1\). Daher gilt \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] Zusammen mit (3) und (4) beweist dies, dass die Eindeutigkeit genau für \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] gilt, und die einzige ganze Zahl ist \(k=a_m+1=2^r+2\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1994 · Soru 3
Her pozitif \(k\) tam sayısı için \(f(k)\), \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\) kümesinin 2 tabanındaki yazılışında tam olarak üç tane 1 bulunan elemanlarının sayısı olsun.
- (a) Her pozitif \(m\) tam sayısı için \(f(k)=m\) olacak biçimde en az bir pozitif \(k\) tam sayısının var olduğunu kanıtlayınız.
- (b) \(f(k)=m\) olacak biçimde tam olarak bir \(k\) bulunan tüm pozitif \(m\) tam sayılarını belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(b) şıkkındaki pozitif tam sayılar tam olarak \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots)} \] şeklindedir. Böyle her \(m\) için buna karşılık gelen tek tam sayı \(k=2^r+2\)'dir.
Çözüm
\(s(n)\), \(n\)'nin ikili tabandaki yazılışında bulunan 1'lerin sayısını göstersin. Önce \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \] olduğunu kanıtlayalım.
Gerçekten de \(\{k+1,\ldots,2k\}\) kümesinden \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\) kümesine geçerken \(k+1\) çıkarılır, \(2k+1\) ve \(2k+2\) eklenir. \[ s(2k+2)=s(k+1), \] olduğundan, \(k+1\) ve \(2k+2\)'nin katkıları birbirini götürür. Ayrıca, \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] olduğundan, geriye kalan katkı ancak ve ancak \(s(k)=2\) olduğunda 1'dir. Bu, (1)'i kanıtlar.
\(f(1)=0\) olduğundan, (1)'i toplayarak \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}} \tag{2} \] elde ederiz.
(a) şıkkı. İkili tabandaki yazılışında tam olarak iki tane 1 bulunan pozitif tam sayıları artan sırayla listeleyelim: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] Bu dizi, her \(r\ge1\) tam sayısı için \(2^r+1\)'i içerdiğinden sonsuzdur. (2)'ye göre, her pozitif \(m\) tam sayısı için \[ f(a_m+1)=m. \] Dolayısıyla her pozitif \(m\) tam sayısı bir değer olarak alınır.
(b) şıkkı. (2) formülü \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1} \] olduğunu gösterir. Buna göre \(f(k)=m\) eşitliğini sağlayan \(k\) tam sayılarının sayısı \(a_{m+1}-a_m\)'dir. Böyle tam olarak bir \(k\) bulunması için gerek ve yeter koşul \[ a_{m+1}=a_m+1 \tag{3} \] olmasıdır.
Bu nedenle, ardışık iki tam sayının ikili tabandaki yazılışlarının her birinde hangi durumda tam olarak iki tane 1 bulunduğunu belirleyelim. \(s(n)=s(n+1)=2\) olduğunu varsayalım.
\(n\) çift ise, 1 eklemek başka hiçbir basamağı etkilemeden ikili tabandaki son basamağını 0'dan 1'e değiştirir. Bu, \(s(n+1)=3\) verir ve bir çelişkidir. O hâlde \(n\) tektir. \(s(n)=2\) olduğundan, bir \(r\ge1\) tam sayısı için \[ n=2^r+1 \] olur. \(r=1\) ise \(n+1=4\)'ün ikili tabandaki yazılışında yalnızca bir tane 1 vardır. Ancak \(r\ge2\) ise, \[ n+1=2^r+2 \] sayısının ikili tabandaki yazılışında tam olarak iki tane 1 vardır. Dolayısıyla bu tür ardışık çiftlerin tümü tam olarak \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2 \tag{4} \] şeklindedir.
\(2^r\)'den küçük olup ikili tabandaki yazılışında iki tane 1 bulunan pozitif tam sayıların sayısı tam olarak \(\binom r2\)'dir: 1'lerin bulunduğu iki basamak, \(0,1,\ldots,r-1\) basamakları arasından herhangi bir biçimde seçilebilir. En az \(2^r\) olup ikili tabandaki yazılışında iki tane 1 bulunan en küçük tam sayı \(2^r+1\)'dir. Dolayısıyla \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] Bu sonuç, (3) ve (4) ile birlikte, tekliğin tam olarak \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] için sağlandığını ve tek tam sayının \(k=a_m+1=2^r+2\) olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1994 · Problema 3
Para cada entero positivo \(k\), sea \(f(k)\) el número de elementos del conjunto \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\) cuya representación en base 2 tiene exactamente tres unos.
- (a) Demostrar que, para cada entero positivo \(m\), existe al menos un entero positivo \(k\) tal que \(f(k)=m\).
- (b) Determinar todos los enteros positivos \(m\) para los que existe exactamente un \(k\) con \(f(k)=m\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Los enteros positivos del apartado (b) son exactamente \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] Para cada uno de estos \(m\), el único entero correspondiente es \(k=2^r+2\).
Solución
Sea \(s(n)\) el número de unos en la representación binaria de \(n\). Primero demostraremos que \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
En efecto, al pasar del conjunto \(\{k+1,\ldots,2k\}\) a \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\), se elimina \(k+1\) y se añaden \(2k+1\) y \(2k+2\). Como \[ s(2k+2)=s(k+1), \] las contribuciones de \(k+1\) y \(2k+2\) se cancelan. Además, \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] por lo que la contribución restante es 1 precisamente cuando \(s(k)=2\). Esto demuestra (1).
Como \(f(1)=0\), sumando (1) obtenemos \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
Apartado (a). Enumeremos en orden creciente los enteros positivos que tienen exactamente dos unos en su representación binaria: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] Esta sucesión es infinita, pues contiene \(2^r+1\) para todo entero \(r\ge1\). Por (2), para todo entero positivo \(m\), \[ f(a_m+1)=m. \] Así, se alcanza todo entero positivo \(m\).
Apartado (b). La fórmula (2) muestra que \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] Por consiguiente, el número de enteros \(k\) que satisfacen \(f(k)=m\) es \(a_{m+1}-a_m\). Existe exactamente uno de estos \(k\) si y solo si \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
Determinemos, por tanto, cuándo dos enteros consecutivos tienen ambos exactamente dos unos en su representación binaria. Supongamos que \(s(n)=s(n+1)=2\).
Si \(n\) es par, al sumar 1 su última cifra binaria cambia de 0 a 1 sin afectar a ninguna otra cifra. Esto da \(s(n+1)=3\), una contradicción. Por tanto, \(n\) es impar. Como \(s(n)=2\), se deduce que \[ n=2^r+1 \] para algún entero \(r\ge1\). Si \(r=1\), entonces \(n+1=4\) tiene un solo uno en su representación binaria. Sin embargo, si \(r\ge2\), \[ n+1=2^r+2 \] tiene exactamente dos unos en su representación binaria. Así, todos estos pares consecutivos son precisamente \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
Hay exactamente \(\binom r2\) enteros positivos menores que \(2^r\) con dos unos en su representación binaria: las dos posiciones ocupadas por unos pueden elegirse arbitrariamente entre las posiciones \(0,1,\ldots,r-1\). El menor entero mayor o igual que \(2^r\) con dos unos en su representación binaria es \(2^r+1\). Por tanto, \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] Junto con (3) y (4), esto demuestra que hay unicidad exactamente para \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] y el único entero es \(k=a_m+1=2^r+2\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1994 · 问题 3
对于任意正整数 \(k\),设 \(f(k)\) 表示集合 \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\) 中二进制表示恰有三个 1 的元素个数。
- (a) 证明:对于每个正整数 \(m\),至少存在一个正整数 \(k\),使得 \(f(k)=m\)。
- (b) 求出所有使得恰有一个 \(k\) 满足 \(f(k)=m\) 的正整数 \(m\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
(b) 中的正整数恰为 \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] 对于每个这样的 \(m\),唯一对应的整数为 \(k=2^r+2\)。
解答
用 \(s(n)\) 表示 \(n\) 的二进制表示中 1 的个数。首先证明 \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
事实上,从集合 \(\{k+1,\ldots,2k\}\) 变为 \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\) 时,删去了 \(k+1\),并加入了 \(2k+1\) 和 \(2k+2\)。由于 \[ s(2k+2)=s(k+1), \] \(k+1\) 和 \(2k+2\) 对计数的影响相互抵消。此外, \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] 所以剩余的计数增量恰在 \(s(k)=2\) 时为 1。这就证明了 (1)。
由于 \(f(1)=0\),对 (1) 求和得 \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
(a) 部分。 将二进制表示恰有两个 1 的正整数按递增顺序排列为 \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] 这个数列是无穷的,因为对于每个整数 \(r\ge1\),它都包含 \(2^r+1\)。由 (2) 可知,对于每个正整数 \(m\), \[ f(a_m+1)=m. \] 因此,每个正整数 \(m\) 都能取到。
(b) 部分。 公式 (2) 表明 \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] 因此,满足 \(f(k)=m\) 的整数 \(k\) 的个数为 \(a_{m+1}-a_m\)。这样的 \(k\) 恰有一个,当且仅当 \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
因此,我们来确定两个连续整数的二进制表示何时都恰有两个 1。设 \(s(n)=s(n+1)=2\)。
若 \(n\) 为偶数,则加 1 只会使其二进制表示的末位从 0 变为 1,而不影响其他数位。于是 \(s(n+1)=3\),矛盾。因此 \(n\) 为奇数。由于 \(s(n)=2\),可得 \[ n=2^r+1 \] 其中 \(r\ge1\) 为某个整数。若 \(r=1\),则 \(n+1=4\) 的二进制表示只有一个 1。然而,若 \(r\ge2\),则 \[ n+1=2^r+2 \] 的二进制表示恰有两个 1。因此,所有这样的连续整数对恰为 \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
小于 \(2^r\) 且二进制表示恰有两个 1 的正整数共有 \(\binom r2\) 个:两个 1 所占的位置可以从位置 \(0,1,\ldots,r-1\) 中任意选取。不小于 \(2^r\) 且二进制表示恰有两个 1 的最小整数为 \(2^r+1\)。因此 \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] 结合 (3) 和 (4),可知唯一性成立当且仅当 \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] 且唯一的整数为 \(k=a_m+1=2^r+2\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1994 · Задача 3
Для любого положительного целого числа \(k\) обозначим через \(f(k)\) количество элементов множества \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\), двоичная запись которых содержит ровно три единицы.
- (a) Докажите, что для каждого положительного целого числа \(m\) существует хотя бы одно положительное целое число \(k\), такое, что \(f(k)=m\).
- (b) Найдите все положительные целые числа \(m\), для которых существует ровно одно \(k\), удовлетворяющее равенству \(f(k)=m\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Искомые положительные целые числа в пункте (b) — в точности \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] Для каждого такого \(m\) единственное соответствующее целое число равно \(k=2^r+2\).
Решение
Обозначим через \(s(n)\) количество единиц в двоичной записи числа \(n\). Сначала докажем, что \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
Действительно, при переходе от множества \(\{k+1,\ldots,2k\}\) к множеству \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\) удаляется число \(k+1\) и добавляются числа \(2k+1\) и \(2k+2\). Поскольку \[ s(2k+2)=s(k+1), \] вклады чисел \(k+1\) и \(2k+2\) взаимно уничтожаются. Кроме того, \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] поэтому оставшийся вклад равен 1 в точности тогда, когда \(s(k)=2\). Тем самым (1) доказано.
Поскольку \(f(1)=0\), суммирование равенств (1) даёт \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
Пункт (a). Выпишем в порядке возрастания положительные целые числа, двоичная запись которых содержит ровно две единицы: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] Эта последовательность бесконечна, поскольку она содержит \(2^r+1\) для каждого целого числа \(r\ge1\). По формуле (2) для каждого положительного целого числа \(m\) \[ f(a_m+1)=m. \] Таким образом, каждое положительное целое число \(m\) принимается в качестве значения функции.
Пункт (b). Формула (2) показывает, что \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] Следовательно, количество целых чисел \(k\), удовлетворяющих равенству \(f(k)=m\), равно \(a_{m+1}-a_m\). Такое \(k\) единственно тогда и только тогда, когда \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
Поэтому выясним, когда двоичные записи двух последовательных целых чисел обе содержат ровно две единицы. Предположим, что \(s(n)=s(n+1)=2\).
Если \(n\) чётно, то прибавление 1 меняет последнюю цифру его двоичной записи с 0 на 1, не затрагивая остальных цифр. Это даёт \(s(n+1)=3\), что приводит к противоречию. Следовательно, \(n\) нечётно. Поскольку \(s(n)=2\), получаем \[ n=2^r+1 \] для некоторого целого числа \(r\ge1\). Если \(r=1\), то двоичная запись числа \(n+1=4\) содержит только одну единицу. Если же \(r\ge2\), то число \[ n+1=2^r+2 \] содержит в двоичной записи ровно две единицы. Таким образом, все такие пары последовательных чисел имеют в точности вид \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
Существует ровно \(\binom r2\) положительных целых чисел, меньших \(2^r\), с двумя единицами в двоичной записи: две позиции, занятые единицами, можно произвольно выбрать среди позиций \(0,1,\ldots,r-1\). Наименьшее целое число, не меньшее \(2^r\), с двумя единицами в двоичной записи равно \(2^r+1\). Поэтому \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] Вместе с (3) и (4) это доказывает, что единственность имеет место в точности при \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] и единственное целое число равно \(k=a_m+1=2^r+2\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1994 · المسألة 3
لكل عدد صحيح موجب \(k\)، ليكن \(f(k)\) عدد عناصر المجموعة \(\{k+1,k+2,\ldots,2k\}\) التي يحتوي تمثيلها في الأساس 2 على ثلاثة أرقام 1 بالضبط.
- (أ) أثبت أنه لكل عدد صحيح موجب \(m\)، يوجد عدد صحيح موجب واحد على الأقل \(k\) بحيث \(f(k)=m\).
- (ب) أوجد جميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(m\) التي يوجد من أجلها عدد واحد فقط \(k\) يحقق \(f(k)=m\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الأعداد الصحيحة الموجبة في الجزء (ب) هي بالضبط \[ \boxed{m=1+\binom r2\qquad(r=2,3,4,\ldots).} \] ولكل قيمة كهذه من \(m\)، يكون العدد الصحيح الوحيد الموافق لها هو \(k=2^r+2\).
الحل
لنرمز بـ\(s(n)\) إلى عدد الأرقام 1 في التمثيل الثنائي للعدد \(n\). نثبت أولًا أن \[ f(k+1)-f(k)= \begin{cases} 1,&s(k)=2,\\ 0,&s(k)\ne2. \end{cases} \tag{1} \]
بالفعل، عند الانتقال من المجموعة \(\{k+1,\ldots,2k\}\) إلى \(\{k+2,\ldots,2k+2\}\)، نحذف \(k+1\) ونضيف \(2k+1\) و\(2k+2\). وبما أن \[ s(2k+2)=s(k+1), \] فإن مساهمتي \(k+1\) و\(2k+2\) تتلاشيان. علاوة على ذلك، \[ s(2k+1)=s(k)+1, \] لذا فإن المساهمة المتبقية تساوي 1 بالضبط عندما \(s(k)=2\). وهذا يثبت (1).
بما أن \(f(1)=0\)، فإن جمع (1) يعطي \[ \boxed{f(k)=\#\{n:1\le n<k,\ s(n)=2\}.} \tag{2} \]
الجزء (أ). نرتّب الأعداد الصحيحة الموجبة التي يحتوي تمثيلها الثنائي على رقمين 1 بالضبط ترتيبًا تصاعديًا: \[ a_1<a_2<a_3<\cdots. \] هذه المتتالية غير منتهية، لأنها تحتوي على \(2^r+1\) لكل عدد صحيح \(r\ge1\). وبحسب (2)، لكل عدد صحيح موجب \(m\)، \[ f(a_m+1)=m. \] إذن تتحقق كل قيمة صحيحة موجبة \(m\).
الجزء (ب). تبين الصيغة (2) أن \[ f(k)=m \quad\Longleftrightarrow\quad a_m<k\le a_{m+1}. \] وبالتالي، فإن عدد الأعداد الصحيحة \(k\) التي تحقق \(f(k)=m\) هو \(a_{m+1}-a_m\). ويوجد عدد واحد فقط كهذا \(k\) إذا وفقط إذا كان \[ a_{m+1}=a_m+1. \tag{3} \]
لذلك نحدد متى يحتوي التمثيل الثنائي لكل من عددين صحيحين متتاليين على رقمين 1 بالضبط. افترض أن \(s(n)=s(n+1)=2\).
إذا كان \(n\) زوجيًا، فإن إضافة 1 تغيّر آخر رقم في تمثيله الثنائي من 0 إلى 1 دون أن تؤثر في أي رقم آخر. وهذا يعطي \(s(n+1)=3\)، وهو تناقض. إذن \(n\) فردي. وبما أن \(s(n)=2\)، فإنه يترتب على ذلك أن \[ n=2^r+1 \] لبعض الأعداد الصحيحة \(r\ge1\). إذا كان \(r=1\)، فإن التمثيل الثنائي للعدد \(n+1=4\) يحتوي على رقم 1 واحد فقط. أما إذا كان \(r\ge2\)، فإن \[ n+1=2^r+2 \] يحتوي تمثيله الثنائي على رقمين 1 بالضبط. إذن جميع الأزواج المتتالية من هذا النوع هي بالضبط \[ (2^r+1,\ 2^r+2),\qquad r\ge2. \tag{4} \]
يوجد بالضبط \(\binom r2\) عددًا صحيحًا موجبًا أصغر من \(2^r\) يحتوي تمثيله الثنائي على رقمين 1: إذ يمكن اختيار الموضعين اللذين يشغلهما الرقمان 1 كيفما اتفق من المواضع \(0,1,\ldots,r-1\). وأصغر عدد صحيح لا يقل عن \(2^r\) ويحتوي تمثيله الثنائي على رقمين 1 هو \(2^r+1\). لذلك \[ a_{\binom r2+1}=2^r+1. \] وبالاقتران مع (3) و(4)، يثبت هذا أن الوحدانية تتحقق بالضبط عندما \[ m=\binom r2+1,\qquad r\ge2, \] وأن العدد الصحيح الوحيد هو \(k=a_m+1=2^r+2\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).