IMO 1997
6 problems with complete solutions · Official problem paper (PDF)
Problem 1
In the plane the points with integer coordinates are the vertices of unit squares. The squares are colored alternately black and white (as on a chessboard).
For any pair of positive integers \(m\) and \(n\), consider a right-angled triangle whose vertices have integer coordinates and whose legs, of lengths \(m\) and \(n\), lie along edges of the squares.
Let \(S_1\) be the total area of the black part of the triangle and \(S_2\) be the total area of the white part. Let \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Calculate \(f(m,n)\) for all positive integers \(m\) and \(n\) which are either both even or both odd.
(b) Prove that \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) for all \(m\) and \(n\).
(c) Show that there is no constant \(C\) such that \(f(m,n)<C\) for all \(m\) and \(n\).
Problem 2
The angle at \(A\) is the smallest angle of triangle \(ABC\). The points \(B\) and \(C\) divide the circumcircle of the triangle into two arcs. Let \(U\) be an interior point of the arc between \(B\) and \(C\) which does not contain \(A\). The perpendicular bisectors of \(AB\) and \(AC\) meet the line \(AU\) at \(V\) and \(W\), respectively. The lines \(BV\) and \(CW\) meet at \(T\). Show that \[ AU = TB + TC. \]
Problem 3
Let \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) be real numbers satisfying the conditions \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] and \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] Show that there exists a permutation \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) of \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) such that \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
Problem 4
An \(n \times n\) matrix whose entries come from the set \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) is called a silver matrix if, for each \(i=1,2,\ldots,n\), the \(i\)th row and the \(i\)th column together contain all elements of \(S\). Show that
(a) there is no silver matrix for \(n=1997\);
(b) silver matrices exist for infinitely many values of \(n\).
Problem 5
Find all pairs \((a,b)\) of integers \(a,b\geq 1\) that satisfy the equation \[ a^{b^2}=b^a. \]
Problem 6
For each positive integer \(n\), let \(f(n)\) denote the number of ways of representing \(n\) as a sum of powers of \(2\) with nonnegative integer exponents. Representations which differ only in the ordering of their summands are considered to be the same. For instance, \(f(4)=4\), because the number \(4\) can be represented in the following four ways:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
Prove that, for any integer \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
IMO 1997
6 Aufgaben mit vollständigen Lösungen · Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Aufgabe 1
In der Ebene bilden die Punkte mit ganzzahligen Koordinaten die Eckpunkte von Einheitsquadraten. Die Quadrate sind abwechselnd schwarz und weiß gefärbt (wie auf einem Schachbrett).
Für jedes Paar positiver ganzer Zahlen \(m\) und \(n\) betrachten wir ein rechtwinkliges Dreieck, dessen Eckpunkte ganzzahlige Koordinaten haben und dessen Katheten der Längen \(m\) und \(n\) entlang der Kanten der Quadrate verlaufen.
Es sei \(S_1\) der gesamte Flächeninhalt des schwarzen Teils des Dreiecks und \(S_2\) der gesamte Flächeninhalt des weißen Teils. Es sei \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Berechne \(f(m,n)\) für alle positiven ganzen Zahlen \(m\) und \(n\), die entweder beide gerade oder beide ungerade sind.
(b) Beweise, dass \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) für alle \(m\) und \(n\) gilt.
(c) Zeige, dass es keine Konstante \(C\) gibt, sodass \(f(m,n)<C\) für alle \(m\) und \(n\) gilt.
Aufgabe 2
Der Winkel bei \(A\) ist der kleinste Winkel des Dreiecks \(ABC\). Die Punkte \(B\) und \(C\) teilen den Umkreis des Dreiecks in zwei Bögen. Sei \(U\) ein innerer Punkt des Bogens zwischen \(B\) und \(C\), der \(A\) nicht enthält. Die Mittelsenkrechten von \(AB\) und \(AC\) schneiden die Gerade \(AU\) in \(V\) bzw. \(W\). Die Geraden \(BV\) und \(CW\) schneiden sich in \(T\). Zeige, dass \[ AU = TB + TC. \]
Aufgabe 3
Seien \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) reelle Zahlen mit den Eigenschaften \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] und \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] Zeige, dass es eine Permutation \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) von \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) gibt, sodass \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
Aufgabe 4
Eine \(n \times n\)-Matrix mit Einträgen aus der Menge \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) heißt Silbermatrix, wenn für jedes \(i=1,2,\ldots,n\) die \(i\)-te Zeile und die \(i\)-te Spalte zusammen alle Elemente von \(S\) enthalten. Zeige, dass
(a) es für \(n=1997\) keine Silbermatrix gibt;
(b) für unendlich viele Werte von \(n\) Silbermatrizen existieren.
Aufgabe 5
Bestimme alle Paare \((a,b)\) ganzer Zahlen \(a,b\geq 1\), für die folgende Gleichung gilt: \[ a^{b^2}=b^a. \]
Aufgabe 6
Für jede positive ganze Zahl \(n\) bezeichne \(f(n)\) die Anzahl der Möglichkeiten, \(n\) als Summe von Potenzen von \(2\) mit nichtnegativen ganzzahligen Exponenten darzustellen. Darstellungen, die sich nur in der Reihenfolge ihrer Summanden unterscheiden, werden als gleich angesehen. Beispielsweise gilt \(f(4)=4\), denn die Zahl \(4\) lässt sich auf die folgenden vier Arten darstellen:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
Beweise, dass für jede ganze Zahl \(n\geq 3\) gilt:
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
IMO 1997
6 soru, tam çözümleriyle · Resmi soru kâğıdı (PDF)
Soru 1
Düzlemde tam sayı koordinatlı noktalar, birim karelerin köşeleridir. Kareler dönüşümlü olarak siyah ve beyaza boyanmıştır (satranç tahtasındaki gibi).
Her \(m\) ve \(n\) pozitif tam sayı çifti için, köşeleri tam sayı koordinatlı olan ve uzunlukları \(m\) ve \(n\) olan dik kenarları karelerin kenarları boyunca uzanan bir dik üçgen ele alalım.
Üçgenin siyah kısmının toplam alanı \(S_1\), beyaz kısmının toplam alanı ise \(S_2\) olsun. \[ f(m,n)=|S_1-S_2| \] olarak tanımlayalım.
(a) Her ikisi de çift veya her ikisi de tek olan tüm \(m\) ve \(n\) pozitif tam sayıları için \(f(m,n)\) değerini hesaplayınız.
(b) Tüm \(m\) ve \(n\) için \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) olduğunu kanıtlayınız.
(c) Tüm \(m\) ve \(n\) için \(f(m,n)<C\) olacak şekilde bir \(C\) sabitinin bulunmadığını gösteriniz.
Soru 2
\(ABC\) üçgeninin en küçük açısı \(A\) köşesindeki açıdır. \(B\) ve \(C\) noktaları, üçgenin çevrel çemberini iki yaya ayırır. \(U\), \(B\) ile \(C\) arasındaki, \(A\)'yı içermeyen yayın bir iç noktası olsun. \(AB\) ve \(AC\)'nin orta dikmeleri, \(AU\) doğrusunu sırasıyla \(V\) ve \(W\) noktalarında keser. \(BV\) ve \(CW\) doğruları \(T\) noktasında kesişir. \[ AU = TB + TC \] olduğunu gösteriniz.
Soru 3
\(x_1,x_2,\ldots,x_n\), \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] ve \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n \] koşullarını sağlayan gerçel sayılar olsun. \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) sayılarının, \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2} \] eşitsizliğini sağlayan bir \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) permütasyonunun bulunduğunu gösteriniz.
Soru 4
Elemanları \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) kümesinden alınan bir \(n \times n\) matrisine, her \(i=1,2,\ldots,n\) için \(i\). satırı ile \(i\). sütunu birlikte \(S\)'nin tüm elemanlarını içeriyorsa gümüş matris denir. Aşağıdakileri gösteriniz:
(a) \(n=1997\) için gümüş matris yoktur;
(b) \(n\)'nin sonsuz çoklukta değeri için gümüş matris vardır.
Soru 5
\(a,b\geq 1\) tam sayıları için, \[ a^{b^2}=b^a \] denklemini sağlayan tüm \((a,b)\) çiftlerini bulunuz.
Soru 6
Her \(n\) pozitif tam sayısı için, \(n\)'yi \(2\)'nin üsleri negatif olmayan tam sayılar olan kuvvetlerinin toplamı olarak yazma yollarının sayısı \(f(n)\) olsun. Yalnızca terimlerinin sıralaması bakımından farklı olan gösterimler aynı kabul edilir. Örneğin \(f(4)=4\)'tür, çünkü \(4\) sayısı aşağıdaki dört biçimde yazılabilir:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
Her \(n\geq 3\) tam sayısı için
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2} \]
olduğunu kanıtlayınız.
IMO 1997
6 problemas con soluciones completas · Enunciado oficial (PDF)
Problema 1
En el plano, los puntos de coordenadas enteras son los vértices de cuadrados de lado unidad. Los cuadrados están coloreados alternativamente de negro y blanco (como en un tablero de ajedrez).
Para cualquier par de enteros positivos \(m\) y \(n\), consideremos un triángulo rectángulo cuyos vértices tienen coordenadas enteras y cuyos catetos, de longitudes \(m\) y \(n\), están situados sobre los lados de los cuadrados.
Sea \(S_1\) el área total de la parte negra del triángulo y \(S_2\) el área total de la parte blanca. Sea \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Calcular \(f(m,n)\) para todos los enteros positivos \(m\) y \(n\) que sean ambos pares o ambos impares.
(b) Demostrar que \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) para todos \(m\) y \(n\).
(c) Demostrar que no existe ninguna constante \(C\) tal que \(f(m,n)<C\) para todos \(m\) y \(n\).
Problema 2
El ángulo en \(A\) es el menor ángulo del triángulo \(ABC\). Los puntos \(B\) y \(C\) dividen la circunferencia circunscrita al triángulo en dos arcos. Sea \(U\) un punto interior del arco entre \(B\) y \(C\) que no contiene a \(A\). Las mediatrices de \(AB\) y \(AC\) cortan la recta \(AU\) en \(V\) y \(W\), respectivamente. Las rectas \(BV\) y \(CW\) se cortan en \(T\). Demostrar que \[ AU = TB + TC. \]
Problema 3
Sean \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) números reales que satisfacen las condiciones \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] y \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] Demostrar que existe una permutación \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) de \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) tal que \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
Problema 4
Una matriz \(n \times n\) cuyas entradas pertenecen al conjunto \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) se llama matriz de plata si, para cada \(i=1,2,\ldots,n\), la fila \(i\) y la columna \(i\) contienen, entre ambas, todos los elementos de \(S\). Demostrar que
(a) no existe ninguna matriz de plata para \(n=1997\);
(b) existen matrices de plata para infinitos valores de \(n\).
Problema 5
Hallar todos los pares \((a,b)\) de enteros \(a,b\geq 1\) que satisfacen la ecuación \[ a^{b^2}=b^a. \]
Problema 6
Para cada entero positivo \(n\), sea \(f(n)\) el número de formas de representar \(n\) como suma de potencias de \(2\) con exponentes enteros no negativos. Las representaciones que solo difieren en el orden de sus sumandos se consideran iguales. Por ejemplo, \(f(4)=4\), porque el número \(4\) se puede representar de las cuatro formas siguientes:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
Demostrar que, para cualquier entero \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
IMO 1997
6 道题及完整解答 · 官方试卷 (PDF)
问题 1
平面上所有整数坐标点都是单位正方形的顶点。这些正方形交替染成黑色和白色(如同棋盘一样)。
对于任意一对正整数 \(m\) 和 \(n\),考虑一个直角三角形,其顶点的坐标均为整数,两条直角边的长度分别为 \(m\) 和 \(n\),且都沿着正方形的边。
设 \(S_1\) 为三角形中黑色部分的总面积,\(S_2\) 为白色部分的总面积。令 \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) 对于同为偶数或同为奇数的所有正整数 \(m\) 和 \(n\),求 \(f(m,n)\)。
(b) 证明:对于所有 \(m\) 和 \(n\),都有 \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\)。
(c) 证明:不存在常数 \(C\),使得对于所有 \(m\) 和 \(n\),都有 \(f(m,n)<C\)。
问题 2
三角形 \(ABC\) 中,\(A\) 处的角是最小的角。点 \(B\) 和 \(C\) 将三角形的外接圆分成两条弧。设 \(U\) 是以 \(B\)、\(C\) 为端点且不含 \(A\) 的那条弧的内点。\(AB\) 和 \(AC\) 的垂直平分线分别与直线 \(AU\) 相交于 \(V\) 和 \(W\)。直线 \(BV\) 和 \(CW\) 相交于 \(T\)。证明: \[ AU = TB + TC. \]
问题 3
设实数 \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) 满足条件 \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] 以及 \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] 证明:存在 \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) 的一个排列 \(y_1,y_2,\ldots,y_n\),使得 \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
问题 4
一个元素取自集合 \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) 的 \(n \times n\) 矩阵,若对于每个 \(i=1,2,\ldots,n\),其第 \(i\) 行与第 \(i\) 列合在一起包含 \(S\) 的所有元素,则称其为银矩阵。证明:
(a) 当 \(n=1997\) 时,不存在银矩阵;
(b) 对无穷多个 \(n\) 的值,存在银矩阵。
问题 5
求所有满足下列方程的整数对 \((a,b)\),其中 \(a,b\geq 1\): \[ a^{b^2}=b^a. \]
问题 6
对于每个正整数 \(n\),设 \(f(n)\) 表示将 \(n\) 写成若干个以非负整数为指数的 \(2\) 的幂之和的表示方法数。仅有加数顺序不同的表示视为相同。例如,\(f(4)=4\),因为数 \(4\) 可以用以下四种方式表示:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
证明:对于任意整数 \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
IMO 1997
6 задач с полными решениями · Официальный текст задач (PDF)
Задача 1
На плоскости точки с целочисленными координатами являются вершинами единичных квадратов. Квадраты раскрашены попеременно в чёрный и белый цвета (как на шахматной доске).
Для любой пары натуральных чисел \(m\) и \(n\) рассмотрим прямоугольный треугольник, вершины которого имеют целочисленные координаты, а катеты длиной \(m\) и \(n\) идут по сторонам квадратов.
Пусть \(S_1\) — суммарная площадь чёрной части треугольника, а \(S_2\) — суммарная площадь белой части. Положим \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Вычислите \(f(m,n)\) для всех натуральных чисел \(m\) и \(n\), которые либо оба чётны, либо оба нечётны.
(b) Докажите, что \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) для всех \(m\) и \(n\).
(c) Покажите, что не существует постоянной \(C\), такой что \(f(m,n)<C\) для всех \(m\) и \(n\).
Задача 2
Угол при вершине \(A\) — наименьший угол треугольника \(ABC\). Точки \(B\) и \(C\) делят описанную окружность треугольника на две дуги. Пусть \(U\) — внутренняя точка дуги между \(B\) и \(C\), не содержащей \(A\). Серединные перпендикуляры к \(AB\) и \(AC\) пересекают прямую \(AU\) в точках \(V\) и \(W\) соответственно. Прямые \(BV\) и \(CW\) пересекаются в точке \(T\). Покажите, что \[ AU = TB + TC. \]
Задача 3
Пусть \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) — действительные числа, удовлетворяющие условиям \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] и \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] Покажите, что существует перестановка \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) чисел \(x_1,x_2,\ldots,x_n\), такая что \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
Задача 4
Матрица размера \(n \times n\), элементы которой принадлежат множеству \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\), называется серебряной матрицей, если для каждого \(i=1,2,\ldots,n\) её \(i\)-я строка и \(i\)-й столбец вместе содержат все элементы \(S\). Покажите, что
(a) при \(n=1997\) серебряной матрицы не существует;
(b) серебряные матрицы существуют для бесконечного числа значений \(n\).
Задача 5
Найдите все пары \((a,b)\) целых чисел \(a,b\geq 1\), удовлетворяющих уравнению \[ a^{b^2}=b^a. \]
Задача 6
Для каждого натурального числа \(n\) обозначим через \(f(n)\) число способов представить \(n\) в виде суммы степеней числа \(2\) с неотрицательными целыми показателями. Представления, отличающиеся только порядком слагаемых, считаются одинаковыми. Например, \(f(4)=4\), поскольку число \(4\) можно представить следующими четырьмя способами:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
Докажите, что для любого целого числа \(n\geq 3\)
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
IMO 1997
6 مسائل مع حلول كاملة · ورقة المسائل الرسمية (PDF)
المسألة 1
في المستوى، تشكّل النقاط ذات الإحداثيات الصحيحة رؤوس مربعات طول ضلع كل منها وحدة واحدة. وتُلوَّن المربعات بالتناوب بالأسود والأبيض (كما في رقعة الشطرنج).
لكل زوج من العددين الصحيحين الموجبين \(m\) و\(n\)، نعتبر مثلثًا قائم الزاوية إحداثيات رؤوسه أعداد صحيحة، ويقع ضلعاه القائمان، اللذان طولاهما \(m\) و\(n\)، على امتداد أضلاع المربعات.
لتكن \(S_1\) المساحة الكلية للجزء الأسود من المثلث، ولتكن \(S_2\) المساحة الكلية للجزء الأبيض. ولتكن \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) احسب \(f(m,n)\) لجميع العددين الصحيحين الموجبين \(m\) و\(n\) اللذين يكونان كلاهما زوجيين أو كلاهما فرديين.
(b) أثبت أن \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) لجميع \(m\) و\(n\).
(c) بيّن أنه لا يوجد ثابت \(C\) بحيث يكون \(f(m,n)<C\) لجميع \(m\) و\(n\).
المسألة 2
الزاوية عند \(A\) هي أصغر زوايا المثلث \(ABC\). تقسم النقطتان \(B\) و\(C\) الدائرة المحيطة بالمثلث إلى قوسين. لتكن \(U\) نقطة داخلية من القوس الواصل بين \(B\) و\(C\) الذي لا يحتوي على \(A\). يتقاطع المنصفان العموديان للقطعتين \(AB\) و\(AC\) مع المستقيم \(AU\) في \(V\) و\(W\)، على الترتيب. ويتقاطع المستقيمان \(BV\) و\(CW\) في \(T\). بيّن أن \[ AU = TB + TC. \]
المسألة 3
لتكن \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) أعدادًا حقيقية تحقق الشرطين \[ |x_1+x_2+\cdots+x_n|=1 \] و \[ |x_i|\leq \frac{n+1}{2}\qquad i=1,2,\ldots,n. \] بيّن أنه يوجد تبديل \(y_1,y_2,\ldots,y_n\) للأعداد \(x_1,x_2,\ldots,x_n\) بحيث \[ |y_1+2y_2+\cdots+ny_n|\leq \frac{n+1}{2}. \]
المسألة 4
تُسمّى مصفوفة من الرتبة \(n \times n\)، عناصرها من المجموعة \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\)، مصفوفة فضية إذا كان الصف ذو الرقم \(i\) والعمود ذو الرقم \(i\) يحتويان معًا على جميع عناصر \(S\)، لكل \(i=1,2,\ldots,n\). بيّن أن
(a) لا توجد مصفوفة فضية عندما \(n=1997\)؛
(b) توجد مصفوفات فضية لعدد لا نهائي من قيم \(n\).
المسألة 5
أوجد جميع أزواج الأعداد الصحيحة \((a,b)\)، حيث \(a,b\geq 1\)، التي تحقق المعادلة \[ a^{b^2}=b^a. \]
المسألة 6
لكل عدد صحيح موجب \(n\)، ليكن \(f(n)\) عدد طرق تمثيل \(n\) على صورة مجموع قوى للعدد \(2\) ذات أسس صحيحة غير سالبة. ويُعدّ تمثيلان لا يختلفان إلا في ترتيب حدود المجموع تمثيلًا واحدًا. فعلى سبيل المثال، \(f(4)=4\)، لأن العدد \(4\) يمكن تمثيله بالطرق الأربع الآتية:
\[ 4;\ 2+2;\ 2+1+1;\ 1+1+1+1. \]
أثبت أنه، لكل عدد صحيح \(n\geq 3\)،
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]