IMO 1995 · Problem 4
Find the maximum value of \(x_0\) for which there exists a sequence \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) of positive reals with \(x_0=x_{1995}\), such that for \(i=1,\ldots,1995\), \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{2^{997}}. \]
Solution
Multiplying the given equation by \(x_{i-1}x_i\) and factoring gives \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] Thus each step satisfies at least one of \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
Put \(y_i=\log_2 x_i\). The two possible steps become \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] Choose one valid type for each step, and let \(s\) be the number of subtractions and \(r\) the number of negations. Then \[ s+r=1995. \]
Composing all the steps gives \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] where \(c\) is a sum of \(s\) terms, each equal to \(1\) or \(-1\): each subtraction contributes \(-1\), whose sign is reversed by every subsequent negation. Consequently, \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
If \(r\) were even, the condition \(y_{1995}=y_0\) would force \(c=0\), so \(s\) would also be even. This contradicts \(s+r=1995\). Therefore \(r\) is odd, and hence \(r\ge1\) and \(s\le1994\). The closing condition now gives \[ y_0=-y_0+c, \] so \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] Thus \(y_0\le997\), proving \[ x_0\le2^{997}. \]
To attain this bound, set \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] All terms are positive. The first \(1994\) steps satisfy \(x_i=x_{i-1}/2\), while the last satisfies \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] By the factorization above, every required equation holds. Therefore the maximum is \(\boxed{2^{997}}\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1995 · Aufgabe 4
Man bestimme den größten Wert von \(x_0\), für den es eine Folge \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) positiver reeller Zahlen mit \(x_0=x_{1995}\) gibt, sodass für \(i=1,\ldots,1995\) gilt: \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{2^{997}}. \]
Lösung
Multiplikation der gegebenen Gleichung mit \(x_{i-1}x_i\) und Faktorisieren ergibt \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] Somit gilt bei jedem Schritt mindestens eine der beiden Gleichungen \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
Wir setzen \(y_i=\log_2 x_i\). Die beiden möglichen Schritte werden zu \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] Wir wählen für jeden Schritt einen gültigen Typ und bezeichnen mit \(s\) die Anzahl der Subtraktionen und mit \(r\) die Anzahl der Vorzeichenwechsel. Dann gilt \[ s+r=1995. \]
Die Verkettung aller Schritte ergibt \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] wobei \(c\) eine Summe aus \(s\) Summanden ist, die jeweils gleich \(1\) oder \(-1\) sind: Jede Subtraktion trägt \(-1\) bei, dessen Vorzeichen durch jeden nachfolgenden Vorzeichenwechsel umgekehrt wird. Folglich gilt \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
Wäre \(r\) gerade, so würde die Bedingung \(y_{1995}=y_0\) erzwingen, dass \(c=0\) ist, sodass auch \(s\) gerade wäre. Dies widerspricht \(s+r=1995\). Daher ist \(r\) ungerade, und somit gelten \(r\ge1\) und \(s\le1994\). Die Bedingung, dass der Endwert mit dem Anfangswert übereinstimmt, ergibt nun \[ y_0=-y_0+c, \] also \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] Somit gilt \(y_0\le997\), womit \[ x_0\le2^{997} \] bewiesen ist.
Um diese Schranke zu erreichen, setzen wir \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] Alle Folgenglieder sind positiv. Die ersten \(1994\) Schritte erfüllen \(x_i=x_{i-1}/2\), während für den letzten gilt: \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] Nach der obigen Faktorisierung ist jede der geforderten Gleichungen erfüllt. Daher ist der größte Wert \(\boxed{2^{997}}\).
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1995 · Soru 4
\(x_0=x_{1995}\) ve \(i=1,\ldots,1995\) için \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i} \] koşullarını sağlayan pozitif gerçel sayılardan oluşan bir \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) dizisinin var olduğu en büyük \(x_0\) değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{2^{997}}. \]
Çözüm
Verilen denklemi \(x_{i-1}x_i\) ile çarpıp çarpanlarına ayırarak \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0 \] elde ederiz. Dolayısıyla her adımda \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}} \] eşitliklerinden en az biri sağlanır.
\(y_i=\log_2 x_i\) olsun. İki olası adım \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1} \] biçimini alır. Her adım için geçerli olan türlerden birini seçelim; çıkarma işlemlerinin sayısı \(s\), işaret değiştirme işlemlerinin sayısı \(r\) olsun. Bu durumda \[ s+r=1995. \]
Tüm adımların bileşkesini alarak \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] elde ederiz; burada \(c\), her biri \(1\) veya \(-1\) olan \(s\) terimin toplamıdır: her çıkarma işlemi \(-1\) katkısında bulunur ve bu katkının işareti, kendisinden sonra gelen her işaret değiştirme işleminde tersine döner. Dolayısıyla, \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
\(r\) çift olsaydı, \(y_{1995}=y_0\) koşulu \(c=0\) olmasını gerektirirdi; dolayısıyla \(s\) de çift olurdu. Bu, \(s+r=1995\) ile çelişir. O hâlde \(r\) tektir ve dolayısıyla \(r\ge1\) ve \(s\le1994\)'tür. Son terimin ilk terime eşit olması koşulu şimdi \[ y_0=-y_0+c, \] verir; dolayısıyla \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] Böylece \(y_0\le997\) olur ve \[ x_0\le2^{997} \] kanıtlanır.
Bu sınıra ulaşmak için \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997} \] alalım. Tüm terimler pozitiftir. İlk \(1994\) adım \(x_i=x_{i-1}/2\) eşitliğini sağlarken son adım \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0 \] eşitliğini sağlar. Yukarıdaki çarpanlara ayırma işlemine göre, istenen denklemlerin her biri sağlanır. Dolayısıyla en büyük değer \(\boxed{2^{997}}\)'dir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1995 · Problema 4
Halle el valor máximo de \(x_0\) para el que existe una sucesión \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) de números reales positivos con \(x_0=x_{1995}\), tal que, para \(i=1,\ldots,1995\), \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{2^{997}}. \]
Solución
Al multiplicar la ecuación dada por \(x_{i-1}x_i\) y factorizar, obtenemos \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] Por tanto, cada paso satisface al menos una de las relaciones \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
Sea \(y_i=\log_2 x_i\). Los dos pasos posibles se convierten en \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] Elegimos un tipo válido para cada paso, y sean \(s\) el número de restas y \(r\) el número de cambios de signo. Entonces \[ s+r=1995. \]
Al componer todos los pasos, obtenemos \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] donde \(c\) es una suma de \(s\) términos, cada uno igual a \(1\) o \(-1\): cada resta aporta \(-1\), cuyo signo se invierte con cada cambio de signo posterior. Por consiguiente, \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
Si \(r\) fuera par, la condición \(y_{1995}=y_0\) obligaría a que \(c=0\), por lo que \(s\) también sería par. Esto contradice \(s+r=1995\). Por tanto, \(r\) es impar y, en consecuencia, \(r\ge1\) y \(s\le1994\). La condición de cierre da ahora \[ y_0=-y_0+c, \] por lo que \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] Así, \(y_0\le997\), lo que demuestra que \[ x_0\le2^{997}. \]
Para alcanzar esta cota, tomamos \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] Todos los términos son positivos. Los primeros \(1994\) pasos satisfacen \(x_i=x_{i-1}/2\), mientras que el último satisface \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] Por la factorización anterior, se cumplen todas las ecuaciones requeridas. Por tanto, el máximo es \(\boxed{2^{997}}\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1995 · 问题 4
求 \(x_0\) 的最大值,使得存在正实数列 \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\),满足 \(x_0=x_{1995}\),且对 \(i=1,\ldots,1995\),有 \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{2^{997}}. \]
解答
将给定等式两边乘以 \(x_{i-1}x_i\),再作因式分解,得 \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] 因此,每一步至少满足下列关系之一: \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
令 \(y_i=\log_2 x_i\)。两种可能的步骤变为 \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] 对每一步选定一种成立的类型,设减去一的次数为 \(s\),取相反数的次数为 \(r\)。则 \[ s+r=1995. \]
将所有步骤复合,得 \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] 其中 \(c\) 是 \(s\) 项之和,每项等于 \(1\) 或 \(-1\):每次减去一贡献一个 \(-1\),其符号会在随后每次取相反数时反转。因此, \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
若 \(r\) 为偶数,则条件 \(y_{1995}=y_0\) 迫使 \(c=0\),从而 \(s\) 也为偶数。这与 \(s+r=1995\) 矛盾。因此,\(r\) 为奇数,故 \(r\ge1\) 且 \(s\le1994\)。首尾相等的条件此时给出 \[ y_0=-y_0+c, \] 所以 \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] 于是 \(y_0\le997\),从而证明了 \[ x_0\le2^{997}. \]
为达到此上界,令 \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] 所有项均为正数。前 \(1994\) 步满足 \(x_i=x_{i-1}/2\),而最后一步满足 \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] 由上面的因式分解,所有要求的等式均成立。因此,最大值为 \(\boxed{2^{997}}\)。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1995 · Задача 4
Найдите наибольшее значение \(x_0\), для которого существует последовательность \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) положительных действительных чисел, удовлетворяющая условию \(x_0=x_{1995}\), такая, что при \(i=1,\ldots,1995\) \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{2^{997}}. \]
Решение
Умножая данное равенство на \(x_{i-1}x_i\) и раскладывая на множители, получаем \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] Таким образом, на каждом шаге выполняется хотя бы одно из равенств \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
Положим \(y_i=\log_2 x_i\). Два возможных перехода принимают вид \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] Для каждого шага выберем один из допустимых типов перехода и обозначим через \(s\) число вычитаний, а через \(r\) — число смен знака. Тогда \[ s+r=1995. \]
Последовательно выполняя все переходы, получаем \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] где \(c\) — сумма \(s\) слагаемых, каждое из которых равно \(1\) или \(-1\): каждое вычитание вносит слагаемое \(-1\), знак которого меняется при каждой последующей смене знака. Следовательно, \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
Если бы \(r\) было чётным, то из условия \(y_{1995}=y_0\) следовало бы \(c=0\), а значит, \(s\) также было бы чётным. Это противоречит равенству \(s+r=1995\). Поэтому \(r\) нечётно, откуда \(r\ge1\) и \(s\le1994\). Теперь условие совпадения последнего и первого членов даёт \[ y_0=-y_0+c, \] поэтому \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] Таким образом, \(y_0\le997\), что доказывает неравенство \[ x_0\le2^{997}. \]
Чтобы достичь этой границы, положим \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] Все члены положительны. На первых \(1994\) шагах выполняется \(x_i=x_{i-1}/2\), а на последнем — \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] В силу приведённого выше разложения на множители все требуемые равенства выполнены. Следовательно, наибольшее значение равно \(\boxed{2^{997}}\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1995 · المسألة 4
أوجد أكبر قيمة لـ \(x_0\) توجد من أجلها متتالية \(x_0,x_1\ldots,x_{1995}\) من الأعداد الحقيقية الموجبة تحقق \(x_0=x_{1995}\)، بحيث يكون لكل \(i=1,\ldots,1995\)، \[ x_{i-1}+\frac{2}{x_{i-1}}=2x_i+\frac{1}{x_i}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{2^{997}}. \]
الحل
بضرب المعادلة المعطاة في \(x_{i-1}x_i\) والتحليل إلى عوامل نحصل على \[ (x_{i-1}-2x_i)(x_{i-1}x_i-1)=0. \] ومن ثم تحقق كل خطوة واحدة على الأقل من العلاقتين \[ x_i=\frac{x_{i-1}}2,\qquad x_i=\frac1{x_{i-1}}. \]
نضع \(y_i=\log_2 x_i\). تصبح الخطوتان الممكنتان \[ y_i=y_{i-1}-1,\qquad y_i=-y_{i-1}. \] نختار نوعًا صالحًا لكل خطوة، وليكن \(s\) عدد عمليات الطرح و\(r\) عدد عمليات تغيير الإشارة. عندئذ \[ s+r=1995. \]
بتركيب جميع الخطوات نحصل على \[ y_{1995}=(-1)^r y_0+c, \] حيث \(c\) مجموع \(s\) حدًا، كل منها يساوي \(1\) أو \(-1\): تسهم كل عملية طرح بحد \(-1\)، وتنعكس إشارته مع كل عملية تغيير إشارة لاحقة. وبالتالي، \[ |c|\le s,\qquad c\equiv s\pmod2. \]
لو كان \(r\) زوجيًا، لفرض الشرط \(y_{1995}=y_0\) أن يكون \(c=0\)، ومن ثم لكان \(s\) زوجيًا أيضًا. وهذا يناقض \(s+r=1995\). ولذلك فإن \(r\) فردي، ومن ثم \(r\ge1\) و\(s\le1994\). ويعطي شرط العودة إلى الحد الأول الآن \[ y_0=-y_0+c, \] ومن ثم \[ 2y_0=c\le s\le1994. \] إذن \(y_0\le997\)، وهذا يثبت أن \[ x_0\le2^{997}. \]
لبلوغ هذا الحد، نضع \[ x_i=2^{997-i}\quad(0\le i\le1994), \qquad x_{1995}=2^{997}. \] جميع الحدود موجبة. تحقق الخطوات الـ \(1994\) الأولى \(x_i=x_{i-1}/2\)، بينما تحقق الخطوة الأخيرة \[ x_{1995}=\frac1{x_{1994}}=2^{997}=x_0. \] بموجب التحليل إلى عوامل أعلاه، تتحقق كل معادلة مطلوبة. ولذلك فإن القيمة العظمى هي \(\boxed{2^{997}}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).