IMO 1995 · Problem 6
Let \(p\) be an odd prime number. How many \(p\)-element subsets \(A\) of \(\{1,2,\ldots 2p\}\) are there, the sum of whose elements is divisible by \(p\)?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Solution
Partition the underlying set into \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] For a subset \(A\), write \(s(A)=\sum_{a\in A}a\).
The two \(p\)-element subsets \(L\) and \(R\) have sums \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] Both are divisible by \(p\), since \(p\) is odd.
Now consider all other \(p\)-element subsets. Each contains \(k\) elements of \(L\), where \[ 1\le k\le p-1. \] Define a permutation \(T\) that cyclically shifts \(L\), \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] and fixes every element of \(R\). Apply \(T\) to subsets by applying it to each element.
Every element of \(L\) increases by \(1\) modulo \(p\), while every element of \(R\) remains fixed. Therefore \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] The number \(k\) is unchanged by \(T\), so, for \(j=0,1,\ldots,p-1\), \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
Because \(p\) is prime and \(1\le k\le p-1\), these \(p\) residues are all distinct: equality for indices \(i,j\) would imply \(p\mid(i-j)k\), hence \(p\mid i-j\), and thus \(i=j\). Consequently, \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] are \(p\) distinct subsets, exactly one of which has sum divisible by \(p\).
These collections partition all the subsets other than \(L\) and \(R\). Indeed, \(T^p\) is the identity, so any two such collections that intersect coincide. There are thus \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] collections, each contributing exactly one qualifying subset.
Adding \(L\) and \(R\), the required number is \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1995 · Aufgabe 6
Es sei \(p\) eine ungerade Primzahl. Wie viele \(p\)-elementige Teilmengen \(A\) von \(\{1,2,\ldots 2p\}\) gibt es, deren Elementsumme durch \(p\) teilbar ist?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Lösung
Wir zerlegen die Grundmenge in \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] Für eine Teilmenge \(A\) schreiben wir \(s(A)=\sum_{a\in A}a\).
Die beiden \(p\)-elementigen Teilmengen \(L\) und \(R\) haben die Elementsummen \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] Beide sind durch \(p\) teilbar, da \(p\) ungerade ist.
Nun betrachten wir alle anderen \(p\)-elementigen Teilmengen. Jede enthält \(k\) Elemente von \(L\), wobei \[ 1\le k\le p-1. \] Wir definieren eine Permutation \(T\), die \(L\) zyklisch verschiebt, \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] und jedes Element von \(R\) fest lässt. Wir wenden \(T\) auf Teilmengen an, indem wir es auf jedes ihrer Elemente anwenden.
Jedes Element von \(L\) wird modulo \(p\) um \(1\) erhöht, während jedes Element von \(R\) unverändert bleibt. Daher gilt \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] Die Zahl \(k\) bleibt unter \(T\) unverändert, sodass für \(j=0,1,\ldots,p-1\) gilt: \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
Da \(p\) eine Primzahl ist und \(1\le k\le p-1\) gilt, sind diese \(p\) Reste alle verschieden: Gleichheit für die Indizes \(i,j\) würde \(p\mid(i-j)k\), folglich \(p\mid i-j\) und somit \(i=j\) implizieren. Folglich sind \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] \(p\) verschiedene Teilmengen, von denen genau eine eine durch \(p\) teilbare Elementsumme hat.
Diese Klassen bilden eine Zerlegung aller Teilmengen außer \(L\) und \(R\). Tatsächlich ist \(T^p\) die Identität, sodass zwei solche Klassen, die ein gemeinsames Element haben, übereinstimmen. Somit gibt es \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] Klassen, von denen jede genau eine Teilmenge mit der geforderten Eigenschaft beiträgt.
Zählen wir \(L\) und \(R\) hinzu, so ergibt sich als gesuchte Anzahl \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1995 · Soru 6
\(p\) bir tek asal sayı olsun. \(\{1,2,\ldots 2p\}\) kümesinin, elemanlarının toplamı \(p\)'ye bölünebilen kaç tane \(p\) elemanlı \(A\) alt kümesi vardır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Çözüm
Verilen kümeyi \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\} \] olarak ikiye ayıralım. Bir \(A\) alt kümesi için \(s(A)=\sum_{a\in A}a\) yazalım.
\(p\) elemanlı \(L\) ve \(R\) alt kümelerinin elemanlarının toplamları \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2 \] şeklindedir. \(p\) tek olduğundan her ikisi de \(p\)'ye bölünür.
Şimdi \(p\) elemanlı diğer tüm alt kümeleri ele alalım. Her biri, \(L\)'nin \(k\) elemanını içerir; burada \[ 1\le k\le p-1. \] \(L\)'yi \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] şeklinde döngüsel olarak kaydıran ve \(R\)'nin her elemanını sabit bırakan bir \(T\) permütasyonu tanımlayalım. \(T\)'yi bir alt kümeye, o alt kümenin her elemanına uygulayarak etki ettirelim.
\(L\)'nin her elemanı mod \(p\)'de \(1\) artarken \(R\)'nin her elemanı sabit kalır. Dolayısıyla, \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] \(T\), \(k\) sayısını değiştirmediğinden \(j=0,1,\ldots,p-1\) için \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
\(p\) asal ve \(1\le k\le p-1\) olduğundan bu \(p\) kalanın tümü birbirinden farklıdır: \(i,j\) indisleri için eşitlik olması \(p\mid(i-j)k\), dolayısıyla \(p\mid i-j\) ve böylece \(i=j\) olmasını gerektirir. Sonuç olarak, \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] birbirinden farklı \(p\) alt kümedir ve bunlardan tam olarak birinin elemanlarının toplamı \(p\)'ye bölünür.
Bu gruplar, \(L\) ve \(R\) dışındaki tüm alt kümeleri ayrık gruplara ayırır. Gerçekten de \(T^p\) birim dönüşüm olduğundan, bu gruplardan ortak elemanı olan herhangi ikisi aynıdır. Dolayısıyla \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] tane grup vardır ve her grup, istenen koşulu sağlayan tam olarak bir alt küme verir.
\(L\) ve \(R\)'yi de ekleyince, istenen sayı \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}} \] olur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1995 · Problema 6
Sea \(p\) un número primo impar. ¿Cuántos subconjuntos \(A\) de \(\{1,2,\ldots 2p\}\) con \(p\) elementos hay cuya suma de elementos es divisible por \(p\)?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Solución
Dividimos el conjunto de partida en \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] Para un subconjunto \(A\), escribimos \(s(A)=\sum_{a\in A}a\).
Los dos subconjuntos \(L\) y \(R\), de \(p\) elementos cada uno, tienen sumas \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] Ambas son divisibles por \(p\), ya que \(p\) es impar.
Consideremos ahora todos los demás subconjuntos de \(p\) elementos. Cada uno contiene \(k\) elementos de \(L\), donde \[ 1\le k\le p-1. \] Definimos una permutación \(T\) que desplaza cíclicamente los elementos de \(L\), \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] y deja fijo cada elemento de \(R\). Aplicamos \(T\) a los subconjuntos aplicándola a cada elemento.
Cada elemento de \(L\) aumenta en \(1\) módulo \(p\), mientras que cada elemento de \(R\) permanece fijo. Por tanto, \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] El número \(k\) no cambia al aplicar \(T\), por lo que, para \(j=0,1,\ldots,p-1\), \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
Como \(p\) es primo y \(1\le k\le p-1\), estos \(p\) residuos son todos distintos: la igualdad para los índices \(i,j\) implicaría \(p\mid(i-j)k\), de donde \(p\mid i-j\) y, por tanto, \(i=j\). Por consiguiente, \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] son \(p\) subconjuntos distintos, de los cuales exactamente uno tiene suma divisible por \(p\).
Estas colecciones forman una partición de todos los subconjuntos distintos de \(L\) y \(R\). En efecto, \(T^p\) es la identidad, por lo que dos de estas colecciones que tengan algún elemento en común coinciden. Hay, por tanto, \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] colecciones, y cada una aporta exactamente un subconjunto que cumple la condición.
Al añadir \(L\) y \(R\), el número buscado es \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1995 · 问题 6
设 \(p\) 是奇素数。集合 \(\{1,2,\ldots 2p\}\) 有多少个含 \(p\) 个元素的子集 \(A\),使得其元素之和能被 \(p\) 整除?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
解答
将原集合划分为 \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] 对于子集 \(A\),记 \(s(A)=\sum_{a\in A}a\)。
两个含 \(p\) 个元素的子集 \(L\) 和 \(R\) 的元素之和为 \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] 由于 \(p\) 为奇数,两者都能被 \(p\) 整除。
现在考虑其余所有含 \(p\) 个元素的子集。每个这样的子集都包含 \(L\) 中的 \(k\) 个元素,其中 \[ 1\le k\le p-1. \] 定义置换 \(T\),使其对 \(L\) 作如下循环移位: \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] 并保持 \(R\) 的每个元素不变。对一个子集施行 \(T\),是指对其中的每个元素施行 \(T\)。
\(L\) 中的每个元素在模 \(p\) 的意义下增加 \(1\),而 \(R\) 中的每个元素保持不变。因此 \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] \(T\) 不改变数目 \(k\),所以对 \(j=0,1,\ldots,p-1\),有 \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
由于 \(p\) 为素数,且 \(1\le k\le p-1\),这 \(p\) 个余数互不相同:若下标 \(i,j\) 对应的余数相等,则有 \(p\mid(i-j)k\),从而 \(p\mid i-j\),于是 \(i=j\)。因此, \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] 是 \(p\) 个互不相同的子集,其中恰有一个的元素之和能被 \(p\) 整除。
这些组将除 \(L\) 和 \(R\) 以外的所有子集划分完毕。事实上,\(T^p\) 是恒等置换,因此任意两组若有公共子集,就必定完全相同。于是共有 \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] 组,每组恰好贡献一个符合条件的子集。
加上 \(L\) 和 \(R\),所求数目为 \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1995 · Задача 6
Пусть \(p\) — нечётное простое число. Сколько существует \(p\)-элементных подмножеств \(A\) множества \(\{1,2,\ldots 2p\}\), сумма элементов которых делится на \(p\)?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Решение
Разобьём исходное множество на \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] Для подмножества \(A\) обозначим \(s(A)=\sum_{a\in A}a\).
Два \(p\)-элементных подмножества \(L\) и \(R\) имеют суммы \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] Обе суммы делятся на \(p\), поскольку \(p\) нечётно.
Теперь рассмотрим все остальные \(p\)-элементные подмножества. Каждое из них содержит \(k\) элементов множества \(L\), где \[ 1\le k\le p-1. \] Определим перестановку \(T\), которая циклически сдвигает элементы \(L\), \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] и оставляет неподвижным каждый элемент \(R\). Действие \(T\) на подмножества зададим применением этой перестановки к каждому элементу.
Каждый элемент \(L\) увеличивается на \(1\) по модулю \(p\), а каждый элемент \(R\) остаётся неподвижным. Поэтому \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] Число \(k\) не меняется при действии \(T\), поэтому для \(j=0,1,\ldots,p-1\) \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
Поскольку \(p\) — простое число и \(1\le k\le p-1\), все эти \(p\) остатков различны: равенство остатков для индексов \(i,j\) означало бы \(p\mid(i-j)k\), откуда \(p\mid i-j\), а значит, \(i=j\). Следовательно, \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] — это \(p\) различных подмножеств, ровно у одного из которых сумма элементов делится на \(p\).
Эти группы образуют разбиение всех подмножеств, кроме \(L\) и \(R\). Действительно, \(T^p\) — тождественная перестановка, поэтому любые две такие группы, имеющие общий элемент, совпадают. Таким образом, имеется \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] групп, каждая из которых содержит ровно одно подходящее подмножество.
Добавляя \(L\) и \(R\), получаем искомое число \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1995 · المسألة 6
ليكن \(p\) عددًا أوليًا فرديًا. كم عدد المجموعات الجزئية \(A\) من \(\{1,2,\ldots 2p\}\) التي تتألف من \(p\) عنصرًا ويقبل مجموع عناصرها القسمة على \(p\)؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
الحل
نقسم المجموعة الأصلية إلى \[ L=\{1,2,\ldots,p\},\qquad R=\{p+1,p+2,\ldots,2p\}. \] لكل مجموعة جزئية \(A\)، نكتب \(s(A)=\sum_{a\in A}a\).
مجموعا عناصر المجموعتين الجزئيتين \(L\) و\(R\)، اللتين تتألف كل منهما من \(p\) عنصرًا، هما \[ s(L)=\frac{p(p+1)}2,\qquad s(R)=\frac{p(3p+1)}2. \] وكلاهما يقبل القسمة على \(p\)، لأن \(p\) فردي.
لننظر الآن إلى جميع المجموعات الجزئية الأخرى التي تتألف من \(p\) عنصرًا. تحتوي كل منها على \(k\) عنصرًا من \(L\)، حيث \[ 1\le k\le p-1. \] نعرّف تبديلًا \(T\) يزيح عناصر \(L\) دوريًا، \[ 1\mapsto2\mapsto\cdots\mapsto p\mapsto1, \] ويثبت كل عنصر من \(R\). نطبق \(T\) على المجموعات الجزئية بتطبيقه على كل عنصر فيها.
يزداد كل عنصر من \(L\) بمقدار \(1\) بترديد \(p\)، بينما يبقى كل عنصر من \(R\) ثابتًا. ولذلك \[ s(T(A))\equiv s(A)+k\pmod p. \] لا يتغير العدد \(k\) تحت تأثير \(T\)، ومن ثم، لكل \(j=0,1,\ldots,p-1\)، \[ s(T^j(A))\equiv s(A)+jk\pmod p. \]
بما أن \(p\) أولي و\(1\le k\le p-1\)، فإن هذه البواقي الـ \(p\) متمايزة جميعًا: فتساوي الباقيين عند المؤشرين \(i,j\) يستلزم \(p\mid(i-j)k\)، ومن ثم \(p\mid i-j\)، وبالتالي \(i=j\). ولذلك فإن \[ A,T(A),\ldots,T^{p-1}(A) \] هي \(p\) مجموعات جزئية متمايزة، واحدة منها بالضبط يقبل مجموع عناصرها القسمة على \(p\).
تقسم هذه العائلات جميع المجموعات الجزئية عدا \(L\) و\(R\). وبالفعل، فإن \(T^p\) هو تبديل الهوية، ولذلك فإن أي عائلتين من هذا النوع تشتركان في مجموعة جزئية تكونان متطابقتين. ومن ثم يوجد \[ \frac{\binom{2p}{p}-2}{p} \] عائلة، تسهم كل منها بمجموعة جزئية واحدة بالضبط تحقق الشرط.
بإضافة \(L\) و\(R\)، يكون العدد المطلوب \[ 2+\frac{\binom{2p}{p}-2}{p} =\boxed{\frac{\binom{2p}{p}+2p-2}{p}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).