IMO 1997 · 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 \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Set \(f(0)=1\), counting the empty representation. Appending a summand \(1\) gives an injection from representations of \(t\) to representations of \(t+1\), so \(f\) is nondecreasing.
Every representation of \(2m+1\) contains an odd number of summands equal to \(1\). Removing one such summand gives a bijection with representations of \(2m\). Thus \[ f(2m+1)=f(2m). \] In a representation of \(2m\), the number of summands equal to \(1\) is \(2(m-j)\) for some \(0\leq j\leq m\). Removing those summands and dividing all remaining summands by \(2\) gives a representation of \(j\). Consequently, \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] In particular, \(f(1)=1\), \(f(2)=2\), and \(f(4)=4\).
We first prove the upper bound. For \(m\geq2\), monotonicity and \(f(m)\geq2\) give \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] Applying this successively with \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\), we obtain \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] For \(n\geq3\), \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] which proves the required strict upper bound.
For the lower bound, put \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] By (1), \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] Since \(f\) is nondecreasing, these successive differences are nondecreasing. More explicitly, for integers \(r\geq d\geq0\), \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] Hence \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
Let \(n\geq3\) and \(m=2^{n-2}\), so \(m\) is even. Using (1) and \(f(2j+1)=f(2j)\), we find \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] where the last equality uses \(g(0)=1\). Applying (2) to each pair, whose indices have midpoint \(m/2\), gives \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
We now prove \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) by induction, using steps of two. The starting cases are \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] For \(n\geq3\), (3) and the induction hypothesis yield \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] Together with the upper bound, this proves both inequalities for every integer \(n\geq3\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1997 · 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:
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(f(0)=1\), wobei die leere Darstellung gezählt wird. Das Hinzufügen eines Summanden \(1\) ergibt eine Injektion von den Darstellungen von \(t\) in die Darstellungen von \(t+1\), sodass \(f\) monoton nicht fallend ist.
Jede Darstellung von \(2m+1\) enthält eine ungerade Anzahl von Summanden gleich \(1\). Das Entfernen eines solchen Summanden ergibt eine Bijektion mit den Darstellungen von \(2m\). Somit gilt \[ f(2m+1)=f(2m). \] In einer Darstellung von \(2m\) beträgt die Anzahl der Summanden gleich \(1\) genau \(2(m-j)\) für ein \(0\leq j\leq m\). Entfernt man diese Summanden und dividiert alle verbleibenden Summanden durch \(2\), so erhält man eine Darstellung von \(j\). Folglich gilt \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] Insbesondere gilt \(f(1)=1\), \(f(2)=2\) und \(f(4)=4\).
Zunächst beweisen wir die obere Schranke. Für \(m\geq2\) ergeben die Monotonie und \(f(m)\geq2\) \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] Wenden wir dies nacheinander mit \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\) an, so erhalten wir \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] Für \(n\geq3\) gilt \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] womit die gewünschte strenge obere Schranke bewiesen ist.
Für die untere Schranke setzen wir \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] Nach (1) gilt \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] Da \(f\) monoton nicht fallend ist, sind diese aufeinanderfolgenden Differenzen monoton nicht fallend. Genauer gilt für ganze Zahlen \(r\geq d\geq0\) \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] Daher gilt \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
Seien \(n\geq3\) und \(m=2^{n-2}\), sodass \(m\) gerade ist. Mit (1) und \(f(2j+1)=f(2j)\) erhalten wir \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] wobei die letzte Gleichheit \(g(0)=1\) verwendet. Die Anwendung von (2) auf jedes Paar, dessen Indizes den Mittelwert \(m/2\) haben, ergibt \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
Wir beweisen nun \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) durch Induktion in Zweierschritten. Die Anfangsfälle sind \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] Für \(n\geq3\) liefern (3) und die Induktionsvoraussetzung \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] Zusammen mit der oberen Schranke beweist dies beide Ungleichungen für jede ganze Zahl \(n\geq3\).
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1997 · 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.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Boş gösterimi sayarak \(f(0)=1\) olarak tanımlayalım. Bir \(1\) terimi eklemek, \(t\)'nin gösterimlerinden \(t+1\)'in gösterimlerine bir birebir dönüşüm verir; dolayısıyla \(f\) azalmayandır.
\(2m+1\)'in her gösterimi, \(1\)'e eşit tek sayıda terim içerir. Böyle bir terimi çıkarmak, \(2m\)'nin gösterimleriyle birebir ve örten bir eşleme verir. Böylece \[ f(2m+1)=f(2m). \] \(2m\)'nin bir gösteriminde, \(1\)'e eşit terimlerin sayısı, bir \(0\leq j\leq m\) için \(2(m-j)\)'dir. Bu terimleri çıkarıp kalan tüm terimleri \(2\)'ye bölmek, \(j\)'nin bir gösterimini verir. Dolayısıyla \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] Özellikle, \(f(1)=1\), \(f(2)=2\) ve \(f(4)=4\)'tür.
Önce üst sınırı kanıtlayalım. \(m\geq2\) için, azalmayanlık ve \(f(m)\geq2\) eşitsizliğinden \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m) \] elde edilir. Bunu sırasıyla \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\) için uygulayarak \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1} \] buluruz. \(n\geq3\) için \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] bu da istenen kesin üst sınırı kanıtlar.
Alt sınır için \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0) \] olsun. (1)'e göre \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] \(f\) azalmayan olduğundan, bu ardışık farklar da azalmayandır. Daha açık olarak, \(r\geq d\geq0\) tam sayıları için \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] Böylece \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
\(n\geq3\) ve \(m=2^{n-2}\) olsun; dolayısıyla \(m\) çifttir. (1)'i ve \(f(2j+1)=f(2j)\) eşitliğini kullanarak \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] buluruz; burada son eşitlikte \(g(0)=1\) kullanılmıştır. İndislerinin orta noktası \(m/2\) olan her çifte (2)'yi uygulamak \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \] sonucunu verir.
Şimdi \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) eşitsizliğini, ikişer adımlı tümevarımla kanıtlayalım. Başlangıç durumları \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4} \] şeklindedir. \(n\geq3\) için, (3) ve tümevarım varsayımı \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4} \] sonucunu verir. Üst sınırla birlikte bu, her \(n\geq3\) tam sayısı için her iki eşitsizliği de kanıtlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1997 · 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 \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Definamos \(f(0)=1\), contando la representación vacía. Añadir un sumando \(1\) da una aplicación inyectiva de las representaciones de \(t\) a las de \(t+1\), de modo que \(f\) es no decreciente.
Toda representación de \(2m+1\) contiene un número impar de sumandos iguales a \(1\). Quitar uno de esos sumandos da una biyección con las representaciones de \(2m\). Así, \[ f(2m+1)=f(2m). \] En una representación de \(2m\), el número de sumandos iguales a \(1\) es \(2(m-j)\) para algún \(0\leq j\leq m\). Al quitar esos sumandos y dividir todos los restantes entre \(2\), se obtiene una representación de \(j\). En consecuencia, \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] En particular, \(f(1)=1\), \(f(2)=2\) y \(f(4)=4\).
Demostremos primero la cota superior. Para \(m\geq2\), la monotonía y \(f(m)\geq2\) dan \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] Aplicando esto sucesivamente con \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\), obtenemos \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] Para \(n\geq3\), \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] lo que demuestra la cota superior estricta requerida.
Para la cota inferior, pongamos \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] Por (1), \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] Como \(f\) es no decreciente, estas diferencias sucesivas son no decrecientes. Más explícitamente, para enteros \(r\geq d\geq0\), \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] Por tanto, \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
Sean \(n\geq3\) y \(m=2^{n-2}\), de modo que \(m\) es par. Usando (1) y \(f(2j+1)=f(2j)\), obtenemos \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] donde la última igualdad usa \(g(0)=1\). Aplicando (2) a cada pareja, cuyos índices tienen punto medio \(m/2\), resulta \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
Demostremos ahora \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) por inducción, avanzando de dos en dos. Los casos iniciales son \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] Para \(n\geq3\), (3) y la hipótesis de inducción dan \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] Junto con la cota superior, esto demuestra ambas desigualdades para todo entero \(n\geq3\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1997 · 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 \(n\geq 3\),
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(f(0)=1\),将空表示计为一种。添加一个加数 \(1\),给出了从 \(t\) 的表示到 \(t+1\) 的表示的一个单射,因此 \(f\) 单调不减。
\(2m+1\) 的每一种表示都包含奇数个等于 \(1\) 的加数。去掉其中一个这样的加数,就得到与 \(2m\) 的表示之间的一个双射。因此 \[ f(2m+1)=f(2m). \] 在 \(2m\) 的一种表示中,等于 \(1\) 的加数个数为 \(2(m-j)\),其中 \(0\leq j\leq m\)。去掉这些加数,并将所有剩余加数除以 \(2\),就得到 \(j\) 的一种表示。因此 \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] 特别地,\(f(1)=1\)、\(f(2)=2\),且 \(f(4)=4\)。
我们先证明上界。对于 \(m\geq2\),由单调性及 \(f(m)\geq2\) 可得 \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] 依次取 \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\) 应用此不等式,得到 \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] 对于 \(n\geq3\), \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] 这就证明了所要求的严格上界。
对于下界,令 \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] 由 (1), \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] 由于 \(f\) 单调不减,这些相邻项之差也单调不减。具体地,对于整数 \(r\geq d\geq0\), \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] 所以 \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
设 \(n\geq3\) 且 \(m=2^{n-2}\),则 \(m\) 为偶数。利用 (1) 和 \(f(2j+1)=f(2j)\),得到 \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] 其中最后一个等式用到了 \(g(0)=1\)。每一对的下标中点均为 \(m/2\),对各对应用 (2),可得 \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
现在用步长为二的归纳法证明 \(f(2^n)>2^{n^2/4}\)。初始情形为 \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] 对于 \(n\geq3\),由 (3) 和归纳假设可得 \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] 结合上界,即证明了对每个整数 \(n\geq3\),两个不等式都成立。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1997 · 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 \(n\geq 3\)
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(f(0)=1\), учитывая пустое представление. Добавление слагаемого \(1\) задаёт инъекцию из множества представлений \(t\) в множество представлений \(t+1\), поэтому \(f\) не убывает.
В каждом представлении \(2m+1\) число слагаемых, равных \(1\), нечётно. Удаление одного такого слагаемого задаёт биекцию с представлениями \(2m\). Таким образом, \[ f(2m+1)=f(2m). \] В представлении \(2m\) число слагаемых, равных \(1\), равно \(2(m-j)\) для некоторого \(0\leq j\leq m\). Удаляя эти слагаемые и деля все оставшиеся слагаемые на \(2\), получаем представление \(j\). Следовательно, \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] В частности, \(f(1)=1\), \(f(2)=2\) и \(f(4)=4\).
Сначала докажем верхнюю оценку. При \(m\geq2\) из монотонности и \(f(m)\geq2\) следует \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] Последовательно применяя это неравенство при \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\), получаем \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] При \(n\geq3\) \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] что доказывает требуемую строгую верхнюю оценку.
Для доказательства нижней оценки положим \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] По (1), \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] Поскольку \(f\) не убывает, эти последовательные разности не убывают. Более явно, для целых чисел \(r\geq d\geq0\) \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] Значит, \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
Пусть \(n\geq3\) и \(m=2^{n-2}\), так что \(m\) чётно. Используя (1) и \(f(2j+1)=f(2j)\), находим \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] где в последнем равенстве использовано \(g(0)=1\). Применяя (2) к каждой паре, среднее арифметическое индексов которой равно \(m/2\), получаем \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
Теперь докажем \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) индукцией с шагом два. Начальные случаи имеют вид \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] При \(n\geq3\) из (3) и предположения индукции следует \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] Вместе с верхней оценкой это доказывает оба неравенства для каждого целого числа \(n\geq3\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1997 · 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 \(n\geq 3\)،
\[ 2^{n^2/4}<f(2^n)<2^{n^2/2}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(f(0)=1\)، باحتساب التمثيل الفارغ. إن إضافة حد يساوي \(1\) تعطي تطبيقًا متباينًا من تمثيلات \(t\) إلى تمثيلات \(t+1\)، لذا فإن \(f\) غير متناقصة.
كل تمثيل للعدد \(2m+1\) يحتوي على عدد فردي من الحدود التي تساوي \(1\). وبحذف أحد هذه الحدود نحصل على تقابل مع تمثيلات \(2m\). ومن ثم \[ f(2m+1)=f(2m). \] في أي تمثيل للعدد \(2m\)، يكون عدد الحدود التي تساوي \(1\) هو \(2(m-j)\) لبعض \(0\leq j\leq m\). وبحذف تلك الحدود وقسمة جميع الحدود المتبقية على \(2\)، نحصل على تمثيل للعدد \(j\). وبالتالي، \[ f(2m)=\sum_{j=0}^{m}f(j). \tag{1} \] وعلى وجه الخصوص، \(f(1)=1\)، و\(f(2)=2\)، و\(f(4)=4\).
نثبت أولًا الحد العلوي. عندما \(m\geq2\)، تعطينا الرتابة و\(f(m)\geq2\) \[ f(2m) =2+\sum_{j=2}^{m}f(j) \leq2+(m-1)f(m) \leq m f(m). \] بتطبيق ذلك تباعًا عند \(m=2^{n-1},2^{n-2},\ldots,2\)، نحصل على \[ f(2^n)\leq 2^{(n-1)+(n-2)+\cdots+1}f(2) =2^{\,n(n-1)/2+1}. \] عندما \(n\geq3\)، \[ \frac{n(n-1)}2+1<\frac{n^2}2, \] وهو ما يثبت المتباينة الصارمة المطلوبة للحد العلوي.
لإثبات الحد السفلي، نضع \[ g(j)=f(2j)\qquad(j\geq0). \] بحسب (1)، \[ g(j)-g(j-1)=f(j)\qquad(j\geq1). \] بما أن \(f\) غير متناقصة، فإن هذه الفروق المتتالية غير متناقصة. وبصورة أكثر صراحة، لكل عددين صحيحين \(r\geq d\geq0\)، \[ \begin{aligned} g(r+d)-g(r) &=\sum_{i=1}^{d}f(r+i)\\ &\geq\sum_{i=1}^{d}f(r-d+i) =g(r)-g(r-d). \end{aligned} \] ومن ثم \[ g(r-d)+g(r+d)\geq2g(r). \tag{2} \]
ليكن \(n\geq3\) و\(m=2^{n-2}\)، فيكون \(m\) زوجيًا. باستخدام (1) و\(f(2j+1)=f(2j)\)، نجد \[ \begin{aligned} f(2^n)=f(4m) &=\sum_{j=0}^{2m}f(j)\\ &=2\sum_{j=0}^{m-1}g(j)+g(m)\\ &=1+\sum_{j=0}^{m-1}\bigl(g(j)+g(m-j)\bigr), \end{aligned} \] حيث تستخدم المساواة الأخيرة \(g(0)=1\). وبتطبيق (2) على كل زوج، إذ يقع منتصف دليليه عند \(m/2\)، نحصل على \[ \begin{aligned} f(2^n) &\geq1+2m\,g(m/2)\\ &=1+2m\,f(m)\\ &>2^{n-1}f(2^{n-2}). \end{aligned}\tag{3} \]
نثبت الآن \(f(2^n)>2^{n^2/4}\) بالاستقراء بخطوات مقدار كل منها اثنان. حالتا البداية هما \[ f(2)=2>2^{1/4}, \qquad f(4)=4>2^{4/4}. \] عندما \(n\geq3\)، تعطينا (3) وفرضية الاستقراء \[ f(2^n) >2^{n-1}f(2^{n-2}) >2^{\,n-1+(n-2)^2/4} =2^{n^2/4}. \] وبالاقتران مع الحد العلوي، يثبت هذا كلتا المتباينتين لكل عدد صحيح \(n\geq3\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.