IMO 1996 · Problem 6
Let \(p,q,n\) be three positive integers with \(p+q<n\). Let \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) be an \((n+1)\)-tuple of integers satisfying the following conditions:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) For each \(i\) with \(1\le i\le n\), either \(x_i-x_{i-1}=p\) or \(x_i-x_{i-1}=-q\).
Show that there exist indices \(i<j\) with \((i,j)\ne(0,n)\), such that \(x_i=x_j\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(m=p+q\), so \(0<m<n\), and define \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] Then each \(a_k\) is either \(p\) or \(-q\), and \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] Extend the sequence \(a_k\) periodically by \(a_{k+n}=a_k\).
For \(r=0,1,\ldots,n-1\), consider the sum of \(m\) consecutive terms \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] We establish three properties.
First, every \(S_r\) is a multiple of \(m\). Indeed, if its block contains \(u\) terms equal to \(p\), then \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
Second, for \(0\le r\le n-2\), \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
Third, each of \(a_1,\ldots,a_n\) occurs exactly \(m\) times among the \(n\) cyclic blocks, so \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
These properties imply that some \(S_r\) is zero. Otherwise, their zero total would force both positive and negative values. Somewhere in the list \(S_0,\ldots,S_{n-1}\), two adjacent values would therefore have opposite signs. As nonzero multiples of \(m\), they would differ by at least \(2m\), contradicting the second property.
Choose \(r\) with \(S_r=0\). If \(r+m\le n\), then \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] Thus \(i=r\), \(j=r+m\) give the required equality; their difference is \(m<n\), so they cannot be \(0,n\).
If \(r+m>n\), periodicity gives \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] Here \[ 0<r+m-n<r<n, \] because \(m<n\). Hence \(i=r+m-n\), \(j=r\) give the required equality in this case as well. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1996 · Aufgabe 6
Seien \(p,q,n\) drei positive ganze Zahlen mit \(p+q<n\). Sei \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) ein \((n+1)\)-Tupel ganzer Zahlen, das die folgenden Bedingungen erfüllt:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) Für jedes \(i\) mit \(1\le i\le n\) gilt entweder \(x_i-x_{i-1}=p\) oder \(x_i-x_{i-1}=-q\).
Zeige, dass es Indizes \(i<j\) mit \((i,j)\ne(0,n)\) gibt, für die \(x_i=x_j\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(m=p+q\), also gilt \(0<m<n\), und definieren \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] Dann ist jedes \(a_k\) entweder \(p\) oder \(-q\), und es gilt \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] Wir setzen die Folge \(a_k\) durch \(a_{k+n}=a_k\) periodisch fort.
Für \(r=0,1,\ldots,n-1\) betrachten wir die Summe von \(m\) aufeinanderfolgenden Gliedern \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] Wir weisen drei Eigenschaften nach.
Erstens ist jedes \(S_r\) ein Vielfaches von \(m\). Enthält der zugehörige Block nämlich \(u\) Glieder mit dem Wert \(p\), so gilt \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
Zweitens gilt für \(0\le r\le n-2\) \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
Drittens kommt jedes der Glieder \(a_1,\ldots,a_n\) in den \(n\) zyklischen Blöcken genau \(m\)-mal vor, also gilt \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
Aus diesen Eigenschaften folgt, dass eines der \(S_r\) gleich null ist. Andernfalls müssten wegen ihrer Gesamtsumme null sowohl positive als auch negative Werte vorkommen. Irgendwo in der Liste \(S_0,\ldots,S_{n-1}\) hätten daher zwei benachbarte Werte entgegengesetzte Vorzeichen. Als von null verschiedene Vielfache von \(m\) würden sie sich um mindestens \(2m\) unterscheiden, im Widerspruch zur zweiten Eigenschaft.
Wir wählen \(r\) mit \(S_r=0\). Gilt \(r+m\le n\), so ist \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] Somit liefern \(i=r\), \(j=r+m\) die geforderte Gleichheit; ihre Differenz ist \(m<n\), also können sie nicht \(0,n\) sein.
Gilt \(r+m>n\), so ergibt die Periodizität \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] Hier gilt \[ 0<r+m-n<r<n, \] da \(m<n\) ist. Daher liefern \(i=r+m-n\), \(j=r\) auch in diesem Fall die geforderte Gleichheit. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1996 · Soru 6
\(p,q,n\), \(p+q<n\) koşulunu sağlayan üç pozitif tam sayı olsun. \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\), aşağıdaki koşulları sağlayan bir tam sayı \((n+1)\)-lisi olsun:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) \(1\le i\le n\) koşulunu sağlayan her \(i\) için ya \(x_i-x_{i-1}=p\) ya da \(x_i-x_{i-1}=-q\) olur.
\(i<j\) ve \((i,j)\ne(0,n)\) koşullarını sağlayan ve \(x_i=x_j\) olacak şekilde indislerin var olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(m=p+q\) olsun; böylece \(0<m<n\) olur. Şu tanımı yapalım: \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] O hâlde her \(a_k\) ya \(p\) ya da \(-q\) olur ve \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0 \] eşitliği sağlanır. \(a_k\) dizisini \(a_{k+n}=a_k\) kuralıyla periyodik olarak genişletelim.
\(r=0,1,\ldots,n-1\) için ardışık \(m\) terimin toplamını ele alalım: \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] Üç özellik göstereceğiz.
Birincisi, her \(S_r\), \(m\) sayısının bir katıdır. Gerçekten de ilgili blokta \(p\) değerine eşit \(u\) terim varsa \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q) \] olur.
İkincisi, \(0\le r\le n-2\) için \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
Üçüncüsü, \(a_1,\ldots,a_n\) terimlerinin her biri \(n\) döngüsel blok içinde tam olarak \(m\) kez yer alır; dolayısıyla \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
Bu özellikler, bir \(S_r\) değerinin sıfır olduğunu gösterir. Aksi hâlde, toplamlarının sıfır olması hem pozitif hem de negatif değerlerin bulunmasını gerektirirdi. Dolayısıyla \(S_0,\ldots,S_{n-1}\) listesinin bir yerinde, yan yana iki değerin işaretleri zıt olurdu. Bunlar \(m\) sayısının sıfırdan farklı katları olduğundan aralarındaki fark en az \(2m\) olurdu; bu ise ikinci özellikle çelişir.
\(S_r=0\) olacak şekilde bir \(r\) seçelim. \(r+m\le n\) ise \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r \] olur. Böylece \(i=r\), \(j=r+m\) istenen eşitliği sağlar; farkları \(m<n\) olduğundan bu indisler \(0,n\) olamaz.
\(r+m>n\) ise periyodiklikten \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r \] elde edilir. Burada \[ 0<r+m-n<r<n, \] olur, çünkü \(m<n\). Dolayısıyla \(i=r+m-n\), \(j=r\) bu durumda da istenen eşitliği sağlar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1996 · Problema 6
Sean \(p,q,n\) tres enteros positivos con \(p+q<n\). Sea \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) una \((n+1)\)-tupla de enteros que satisface las siguientes condiciones:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) Para cada \(i\) con \(1\le i\le n\), se tiene \(x_i-x_{i-1}=p\) o \(x_i-x_{i-1}=-q\).
Demostrar que existen índices \(i<j\) con \((i,j)\ne(0,n)\), tales que \(x_i=x_j\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(m=p+q\), de modo que \(0<m<n\), y definamos \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] Entonces cada \(a_k\) es igual a \(p\) o a \(-q\), y \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] Extendemos la sucesión \(a_k\) periódicamente mediante \(a_{k+n}=a_k\).
Para \(r=0,1,\ldots,n-1\), consideremos la suma de \(m\) términos consecutivos \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] Demostraremos tres propiedades.
En primer lugar, cada \(S_r\) es múltiplo de \(m\). En efecto, si su bloque contiene \(u\) términos iguales a \(p\), entonces \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
En segundo lugar, para \(0\le r\le n-2\), \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
En tercer lugar, cada uno de los términos \(a_1,\ldots,a_n\) aparece exactamente \(m\) veces entre los \(n\) bloques cíclicos, por lo que \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
Estas propiedades implican que algún \(S_r\) es cero. De lo contrario, el hecho de que su suma sea cero obligaría a que hubiera valores tanto positivos como negativos. Por tanto, en algún lugar de la lista \(S_0,\ldots,S_{n-1}\), dos valores adyacentes tendrían signos opuestos. Al ser múltiplos no nulos de \(m\), diferirían en al menos \(2m\), lo que contradice la segunda propiedad.
Elegimos \(r\) tal que \(S_r=0\). Si \(r+m\le n\), entonces \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] Así pues, \(i=r\), \(j=r+m\) dan la igualdad requerida; su diferencia es \(m<n\), por lo que no pueden ser \(0,n\).
Si \(r+m>n\), la periodicidad da \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] Aquí \[ 0<r+m-n<r<n, \] porque \(m<n\). Por tanto, \(i=r+m-n\), \(j=r\) dan la igualdad requerida también en este caso. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1996 · 问题 6
设 \(p,q,n\) 是三个正整数,且 \(p+q<n\)。设 \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) 是一个由整数组成的 \((n+1)\) 元组,满足以下条件:
(a) \(x_0=x_n=0\)。
(b) 对每个满足 \(1\le i\le n\) 的 \(i\),都有 \(x_i-x_{i-1}=p\) 或 \(x_i-x_{i-1}=-q\)。
证明:存在下标 \(i<j\),满足 \((i,j)\ne(0,n)\),使得 \(x_i=x_j\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(m=p+q\),于是 \(0<m<n\),并定义 \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] 则每个 \(a_k\) 都等于 \(p\) 或 \(-q\),且 \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] 按 \(a_{k+n}=a_k\) 将数列 \(a_k\) 作周期延拓。
对 \(r=0,1,\ldots,n-1\),考虑连续 \(m\) 项之和 \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] 我们证明三个性质。
第一,每个 \(S_r\) 都是 \(m\) 的倍数。事实上,若其对应的一段中有 \(u\) 项等于 \(p\),则 \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
第二,对 \(0\le r\le n-2\),有 \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
第三,\(a_1,\ldots,a_n\) 中的每一项在这 \(n\) 个循环选取的段中恰好出现 \(m\) 次,因此 \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
这些性质说明,某个 \(S_r\) 为零。否则,由于它们的总和为零,其中必有正值,也有负值。因此,在 \(S_0,\ldots,S_{n-1}\) 中,必有两个相邻的值异号。它们都是 \(m\) 的非零倍数,故相差至少 \(2m\),与第二个性质矛盾。
选取满足 \(S_r=0\) 的 \(r\)。若 \(r+m\le n\),则 \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] 因此,取 \(i=r\)、\(j=r+m\) 就得到所要求的相等关系;它们的差为 \(m<n\),故不可能分别为 \(0,n\)。
若 \(r+m>n\),由周期性可得 \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] 这里 \[ 0<r+m-n<r<n, \] 因为 \(m<n\)。因此,在这种情况下,取 \(i=r+m-n\)、\(j=r\) 也能得到所要求的相等关系。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1996 · Задача 6
Пусть \(p,q,n\) — три положительных целых числа, для которых \(p+q<n\). Пусть \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) — набор из \((n+1)\) целых чисел, удовлетворяющий следующим условиям:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) Для каждого \(i\), где \(1\le i\le n\), либо \(x_i-x_{i-1}=p\), либо \(x_i-x_{i-1}=-q\).
Докажите, что существуют индексы \(i<j\), для которых \((i,j)\ne(0,n)\) и \(x_i=x_j\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(m=p+q\), так что \(0<m<n\), и определим \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] Тогда каждое \(a_k\) равно либо \(p\), либо \(-q\), и \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] Продолжим последовательность \(a_k\) периодически, полагая \(a_{k+n}=a_k\).
Для \(r=0,1,\ldots,n-1\) рассмотрим сумму \(m\) последовательных членов \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] Установим три свойства.
Во-первых, каждое \(S_r\) кратно \(m\). Действительно, если соответствующий блок содержит \(u\) членов, равных \(p\), то \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
Во-вторых, при \(0\le r\le n-2\) \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
В-третьих, каждый из членов \(a_1,\ldots,a_n\) входит ровно \(m\) раз в эти \(n\) циклических блоков, поэтому \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
Из этих свойств следует, что некоторое \(S_r\) равно нулю. В противном случае из равенства их суммы нулю следовало бы, что среди них есть как положительные, так и отрицательные значения. Поэтому в последовательности \(S_0,\ldots,S_{n-1}\) нашлись бы два соседних значения разных знаков. Будучи ненулевыми числами, кратными \(m\), они отличались бы не менее чем на \(2m\), что противоречит второму свойству.
Выберем \(r\), для которого \(S_r=0\). Если \(r+m\le n\), то \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] Таким образом, \(i=r\), \(j=r+m\) дают требуемое равенство; их разность равна \(m<n\), поэтому они не могут быть равны \(0,n\).
Если \(r+m>n\), то в силу периодичности \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] Здесь \[ 0<r+m-n<r<n, \] поскольку \(m<n\). Следовательно, \(i=r+m-n\), \(j=r\) дают требуемое равенство и в этом случае. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1996 · المسألة 6
لتكن \(p,q,n\) ثلاثة أعداد صحيحة موجبة تحقق \(p+q<n\). ولتكن \((x_0,x_1,\ldots,x_n)\) قائمة مرتبة من \((n+1)\) عددًا صحيحًا تحقق الشروط الآتية:
(a) \(x_0=x_n=0\).
(b) لكل \(i\) يحقق \(1\le i\le n\)، إما \(x_i-x_{i-1}=p\) وإما \(x_i-x_{i-1}=-q\).
بيّن أنه يوجد دليلان \(i<j\) يحققان \((i,j)\ne(0,n)\)، بحيث \(x_i=x_j\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(m=p+q\)، ومن ثم \(0<m<n\)، ونعرّف \[ a_k=x_k-x_{k-1}\qquad(1\le k\le n). \] عندئذ كل \(a_k\) يساوي إما \(p\) وإما \(-q\)، ولدينا \[ \sum_{k=1}^{n}a_k=x_n-x_0=0. \] نمدّ المتتالية \(a_k\) دوريًا بوضع \(a_{k+n}=a_k\).
لكل \(r=0,1,\ldots,n-1\)، ننظر في مجموع \(m\) حدًا متتاليًا \[ S_r=\sum_{k=1}^{m}a_{r+k}. \] نثبت ثلاث خواص.
أولًا، كل \(S_r\) من مضاعفات \(m\). وبالفعل، إذا كانت مجموعة حدوده المتتالية تحتوي على \(u\) حدًا يساوي \(p\)، فإن \[ S_r=up-(m-u)q=m(u-q). \]
ثانيًا، لكل \(0\le r\le n-2\)، \[ S_{r+1}-S_r=a_{r+m+1}-a_{r+1}\in\{-m,0,m\}. \]
ثالثًا، يرد كل حد من \(a_1,\ldots,a_n\) بالضبط \(m\) مرة ضمن المجموعات الدورية الـ\(n\) من الحدود المتتالية، ومن ثم \[ \sum_{r=0}^{n-1}S_r =m\sum_{k=1}^{n}a_k=0. \]
تستلزم هذه الخواص أن أحد المجاميع \(S_r\) يساوي صفرًا. وإلا فإن انعدام مجموعها يفرض وجود قيم موجبة وأخرى سالبة. ولذلك لا بد أن توجد في موضع ما من القائمة \(S_0,\ldots,S_{n-1}\) قيمتان متجاورتان مختلفتا الإشارة. وبما أنهما من مضاعفات \(m\) غير الصفرية، فإن الفرق بينهما لا يقل عن \(2m\)، مما يناقض الخاصية الثانية.
نختار \(r\) بحيث \(S_r=0\). إذا كان \(r+m\le n\)، فإن \[ 0=S_r=x_{r+m}-x_r. \] إذًا يعطي \(i=r\)، \(j=r+m\) المساواة المطلوبة؛ والفرق بينهما هو \(m<n\)، لذا لا يمكن أن يكونا \(0,n\).
إذا كان \(r+m>n\)، فإن الدورية تعطي \[ 0=S_r=(x_n-x_r)+(x_{r+m-n}-x_0) =x_{r+m-n}-x_r. \] وهنا \[ 0<r+m-n<r<n, \] لأن \(m<n\). ومن ثم يعطي \(i=r+m-n\)، \(j=r\) المساواة المطلوبة في هذه الحالة أيضًا. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).