IMO 1998 · Problem 3
For any positive integer \(n\), let \(d(n)\) denote the number of positive divisors of \(n\) (including \(1\) and \(n\) itself). Determine all positive integers \(k\) such that \(d(n^2)/d(n) = k\) for some \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All positive odd integers: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
Solution
If \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) is its prime factorization, then \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] Indeed, a divisor is determined by choosing the exponent of each prime independently. These formulas also hold for \(n=1\), with empty products.
In particular, \(d(n^2)\) is odd. Thus, if \(d(n^2)=k\,d(n)\), then \(k\) must be odd.
We now prove that every positive odd integer occurs. For a positive odd integer \(t\), put \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] and let \(\mathcal S\) be the set of all finite products of such numbers, including the empty product \(1\). This set is closed under multiplication. Moreover, every element of \(\mathcal S\) is a possible divisor ratio: for distinct primes \(q_1,\ldots,q_m\), choosing \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] gives \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
We need the following identity-based lemma.
Lemma. For every positive odd integer \(a\) and every integer \(r\geq1\), \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
Proof. We induct on \(r\), proving the assertion for all positive odd \(a\) simultaneously. For \(r=1\), the expression is \(F(a)\).
Suppose \(r\geq2\) and the assertion holds for \(r-1\). Set \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] Both \(b\) and \(c\) are positive odd integers. By the induction hypothesis, \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] Also \(F(ac)\in\mathcal S\). Since \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1), \] their product is \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] This proves the lemma. \(\square\)
Finally, we use strong induction on the positive odd integer \(k\) to prove \(k\in\mathcal S\). The case \(k=1\) is the empty product, realized by \(n=1\).
For \(k>1\), write \[ k+1=2^r a, \] where \(r\geq1\) and \(a\) is positive and odd. We have \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] so \(a\in\mathcal S\) by induction. The lemma gives \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] Multiplying these two elements shows that \(k\in\mathcal S\), and hence \(k=d(n^2)/d(n)\) for some positive integer \(n\).
Therefore precisely the positive odd integers occur.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1998 · Aufgabe 3
Für jede positive ganze Zahl \(n\) bezeichne \(d(n)\) die Anzahl der positiven Teiler von \(n\) (einschließlich \(1\) und \(n\) selbst). Bestimme alle positiven ganzen Zahlen \(k\), für die \(d(n^2)/d(n) = k\) für mindestens ein \(n\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle positiven ungeraden ganzen Zahlen: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
Lösung
Ist \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) die Primfaktorzerlegung von \(n\), so gilt \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] Denn ein Teiler wird dadurch bestimmt, dass der Exponent jeder Primzahl unabhängig gewählt wird. Diese Formeln gelten mit leeren Produkten auch für \(n=1\).
Insbesondere ist \(d(n^2)\) ungerade. Gilt also \(d(n^2)=k\,d(n)\), so muss \(k\) ungerade sein.
Wir beweisen nun, dass jede positive ungerade ganze Zahl vorkommt. Für eine positive ungerade ganze Zahl \(t\) setzen wir \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] und bezeichnen mit \(\mathcal S\) die Menge aller endlichen Produkte solcher Zahlen, einschließlich des leeren Produkts \(1\). Diese Menge ist unter Multiplikation abgeschlossen. Außerdem lässt sich jedes Element von \(\mathcal S\) als Quotient der Teileranzahlen darstellen: Für verschiedene Primzahlen \(q_1,\ldots,q_m\) liefert die Wahl \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] die Gleichung \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
Wir benötigen das folgende auf einer Identität beruhende Lemma.
Lemma. Für jede positive ungerade ganze Zahl \(a\) und jede ganze Zahl \(r\geq1\) gilt \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
Beweis. Wir führen Induktion über \(r\) und beweisen die Behauptung gleichzeitig für alle positiven ungeraden \(a\). Für \(r=1\) ist der Ausdruck gleich \(F(a)\).
Sei nun \(r\geq2\), und die Behauptung gelte für \(r-1\). Setzen wir \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] Sowohl \(b\) als auch \(c\) sind positive ungerade ganze Zahlen. Nach der Induktionsvoraussetzung gilt \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] Außerdem gilt \(F(ac)\in\mathcal S\). Wegen \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1) \] ist ihr Produkt gleich \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] Damit ist das Lemma bewiesen. \(\square\)
Schließlich beweisen wir \(k\in\mathcal S\) durch starke Induktion über die positive ungerade ganze Zahl \(k\). Der Fall \(k=1\) entspricht dem leeren Produkt und wird durch \(n=1\) realisiert.
Für \(k>1\) schreiben wir \[ k+1=2^r a, \] wobei \(r\geq1\) gilt und \(a\) positiv und ungerade ist. Es gilt \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] also folgt \(a\in\mathcal S\) aus der Induktionsvoraussetzung. Das Lemma liefert \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] Durch Multiplikation dieser beiden Elemente folgt \(k\in\mathcal S\), und somit gilt \(k=d(n^2)/d(n)\) für eine positive ganze Zahl \(n\).
Es kommen also genau die positiven ungeraden ganzen Zahlen vor.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1998 · Soru 3
Her pozitif \(n\) tam sayısı için \(d(n)\), \(n\)'nin pozitif bölenlerinin sayısını (\(1\) ve \(n\)'nin kendisi dâhil) göstersin. Bir \(n\) için \(d(n^2)/d(n) = k\) eşitliğini sağlayan tüm pozitif \(k\) tam sayılarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tüm pozitif tek tam sayılar: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
Çözüm
\(n\)'nin asal çarpanlarına ayrılışı \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) ise \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] Gerçekten de bir bölen, her asalın üssünün birbirinden bağımsız olarak seçilmesiyle belirlenir. Bu formüller, boş çarpımlar kullanıldığında \(n=1\) için de geçerlidir.
Özellikle \(d(n^2)\) tektir. Dolayısıyla \(d(n^2)=k\,d(n)\) ise \(k\) tek olmak zorundadır.
Şimdi her pozitif tek tam sayının elde edilebildiğini kanıtlayacağız. Pozitif bir tek \(t\) tam sayısı için \[ F(t)=\frac{2t-1}{t} \] olsun ve \(\mathcal S\), boş çarpım \(1\) de dâhil olmak üzere, bu tür sayıların tüm sonlu çarpımlarından oluşan küme olsun. Bu küme çarpma işlemine göre kapalıdır. Ayrıca \(\mathcal S\)'nin her elemanı, bölen sayılarının alabileceği bir orandır: birbirinden farklı \(q_1,\ldots,q_m\) asalları için \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] seçilirse \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i} \] elde edilir.
Bir özdeşliğe dayanan aşağıdaki yardımcı önermeye ihtiyacımız var.
Yardımcı önerme. Her pozitif tek \(a\) tam sayısı ve her \(r\geq1\) tam sayısı için \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
Kanıt. \(r\) üzerinden tümevarım yaparak iddiayı tüm pozitif tek \(a\) sayıları için aynı anda kanıtlayacağız. \(r=1\) için ifade \(F(a)\)'dır.
\(r\geq2\) olsun ve iddianın \(r-1\) için doğru olduğunu varsayalım. \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1 \] olarak tanımlayalım. Hem \(b\) hem de \(c\) pozitif tek tam sayılardır. Tümevarım varsayımına göre, \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] Ayrıca \(F(ac)\in\mathcal S\). Şu eşitliklerden \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1) \] bu iki elemanın çarpımı \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a} \] olur. Bu, yardımcı önermeyi kanıtlar. \(\square\)
Son olarak, \(k\in\mathcal S\) olduğunu kanıtlamak için pozitif tek \(k\) tam sayıları üzerinde kuvvetli tümevarım kullanacağız. \(k=1\) durumu, \(n=1\) seçimiyle elde edilen boş çarpımdır.
\(k>1\) için \[ k+1=2^r a \] yazalım; burada \(r\geq1\) ve \(a\) pozitif ve tektir. \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k \] olduğundan tümevarım gereği \(a\in\mathcal S\). Yardımcı önerme \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S \] sonucunu verir. Bu iki elemanı çarparak \(k\in\mathcal S\) olduğunu, dolayısıyla bir pozitif \(n\) tam sayısı için \(k=d(n^2)/d(n)\) eşitliğinin sağlandığını görürüz.
O hâlde elde edilebilen sayılar tam olarak pozitif tek tam sayılardır.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1998 · Problema 3
Para cada entero positivo \(n\), sea \(d(n)\) el número de divisores positivos de \(n\) (incluidos \(1\) y el propio \(n\)). Determinar todos los enteros positivos \(k\) tales que \(d(n^2)/d(n) = k\) para algún \(n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todos los enteros positivos impares: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
Solución
Si \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) es su descomposición en factores primos, entonces \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] En efecto, un divisor queda determinado al elegir independientemente el exponente de cada primo. Estas fórmulas también son válidas para \(n=1\), con productos vacíos.
En particular, \(d(n^2)\) es impar. Así, si \(d(n^2)=k\,d(n)\), entonces \(k\) debe ser impar.
Demostraremos ahora que se obtiene todo entero positivo impar. Para un entero positivo impar \(t\), definamos \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] y sea \(\mathcal S\) el conjunto de todos los productos finitos de tales números, incluido el producto vacío \(1\). Este conjunto es cerrado bajo la multiplicación. Además, todo elemento de \(\mathcal S\) es un posible cociente de números de divisores: para primos distintos \(q_1,\ldots,q_m\), al elegir \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] se obtiene \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
Necesitamos el siguiente lema, basado en una identidad.
Lema. Para todo entero positivo impar \(a\) y todo entero \(r\geq1\), \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
Demostración. Procedemos por inducción sobre \(r\), demostrando la afirmación simultáneamente para todos los enteros positivos impares \(a\). Para \(r=1\), la expresión es \(F(a)\).
Supongamos que \(r\geq2\) y que la afirmación se cumple para \(r-1\). Sean \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] Tanto \(b\) como \(c\) son enteros positivos impares. Por la hipótesis de inducción, \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] Además, \(F(ac)\in\mathcal S\). Como \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1), \] su producto es \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] Esto demuestra el lema. \(\square\)
Por último, usamos inducción fuerte sobre el entero positivo impar \(k\) para demostrar que \(k\in\mathcal S\). El caso \(k=1\) corresponde al producto vacío, que se obtiene con \(n=1\).
Para \(k>1\), escribamos \[ k+1=2^r a, \] donde \(r\geq1\) y \(a\) es positivo e impar. Tenemos \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] por lo que \(a\in\mathcal S\) por inducción. El lema da \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] Al multiplicar estos dos elementos se deduce que \(k\in\mathcal S\) y, por tanto, \(k=d(n^2)/d(n)\) para algún entero positivo \(n\).
Por tanto, se obtienen exactamente los enteros positivos impares.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1998 · 问题 3
对于任意正整数 \(n\),用 \(d(n)\) 表示 \(n\) 的正因数个数(包括 \(1\) 和 \(n\) 本身)。求所有正整数 \(k\),使得存在某个 \(n\) 满足 \(d(n^2)/d(n) = k\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
所有正奇数: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
解答
若 \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) 是其素因数分解,则 \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] 事实上,独立选取各个素因数的指数,就确定了一个因数。对于 \(n=1\),将乘积理解为空积,上述公式也成立。
特别地,\(d(n^2)\) 为奇数。因此,若 \(d(n^2)=k\,d(n)\),则 \(k\) 必须为奇数。
下面证明每个正奇数都可以取到。对于正奇数 \(t\),令 \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] 并令 \(\mathcal S\) 为所有这类数的有限乘积组成的集合,其中包括空积 \(1\)。该集合对乘法封闭。此外,\(\mathcal S\) 的每个元素都是一个可能的因数个数之比:对于互不相同的素数 \(q_1,\ldots,q_m\),取 \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] 便有 \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
我们需要下面这个基于恒等式的引理。
引理。 对于每个正奇数 \(a\) 和每个整数 \(r\geq1\),都有 \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
证明。 对 \(r\) 作归纳,同时证明结论对所有正奇数 \(a\) 成立。当 \(r=1\) 时,该表达式就是 \(F(a)\)。
设 \(r\geq2\),且结论对 \(r-1\) 成立。令 \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] \(b\) 和 \(c\) 均为正奇数。由归纳假设, \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] 又有 \(F(ac)\in\mathcal S\)。由于 \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1), \] 它们的乘积为 \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] 引理得证。\(\square\)
最后,对正奇数 \(k\) 使用强归纳法,证明 \(k\in\mathcal S\)。当 \(k=1\) 时,它是空积,取 \(n=1\) 即可实现。
对于 \(k>1\),写成 \[ k+1=2^r a, \] 其中 \(r\geq1\),且 \(a\) 为正奇数。我们有 \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] 故由归纳假设可得 \(a\in\mathcal S\)。由引理, \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] 将这两个元素相乘,得到 \(k\in\mathcal S\),因此存在某个正整数 \(n\),使得 \(k=d(n^2)/d(n)\)。
所以,能取到的恰好是所有正奇数。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1998 · Задача 3
Для каждого положительного целого числа \(n\) обозначим через \(d(n)\) число его положительных делителей (включая \(1\) и само \(n\)). Найдите все положительные целые числа \(k\), для которых \(d(n^2)/d(n) = k\) при некотором \(n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все положительные нечётные числа: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
Решение
Если \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) — разложение числа на простые множители, то \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] Действительно, делитель определяется независимым выбором показателя степени каждого простого множителя. Эти формулы верны и для \(n=1\), когда произведения пусты.
В частности, \(d(n^2)\) нечётно. Поэтому, если \(d(n^2)=k\,d(n)\), то \(k\) должно быть нечётным.
Теперь докажем, что каждое положительное нечётное число может быть получено. Для положительного нечётного числа \(t\) положим \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] и пусть \(\mathcal S\) — множество всех конечных произведений таких чисел, включая пустое произведение \(1\). Это множество замкнуто относительно умножения. Более того, каждый элемент \(\mathcal S\) может быть представлен как отношение числа делителей квадрата числа к числу делителей самого числа: для различных простых чисел \(q_1,\ldots,q_m\), выбирая \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] получаем \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
Нам понадобится следующая лемма, основанная на тождестве.
Лемма. Для любого положительного нечётного числа \(a\) и любого целого числа \(r\geq1\) \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
Доказательство. Проведём индукцию по \(r\), доказывая утверждение одновременно для всех положительных нечётных \(a\). При \(r=1\) это выражение равно \(F(a)\).
Пусть \(r\geq2\) и утверждение верно для \(r-1\). Положим \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] Оба числа \(b\) и \(c\) — положительные нечётные целые числа. По предположению индукции \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] Кроме того, \(F(ac)\in\mathcal S\). Поскольку \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1), \] их произведение равно \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] Лемма доказана. \(\square\)
Наконец, с помощью сильной индукции по положительному нечётному числу \(k\) докажем, что \(k\in\mathcal S\). Случаю \(k=1\) соответствует пустое произведение, которое реализуется при \(n=1\).
При \(k>1\) запишем \[ k+1=2^r a, \] где \(r\geq1\), а \(a\) — положительное нечётное число. Имеем \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] поэтому \(a\in\mathcal S\) по предположению индукции. По лемме \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] Перемножая эти два элемента, получаем \(k\in\mathcal S\), а значит, \(k=d(n^2)/d(n)\) для некоторого положительного целого числа \(n\).
Таким образом, искомыми являются в точности все положительные нечётные числа.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1998 · المسألة 3
لكل عدد صحيح موجب \(n\)، ليكن \(d(n)\) عدد القواسم الموجبة للعدد \(n\) (بما فيها \(1\) والعدد \(n\) نفسه). أوجد جميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(k\) التي تحقق \(d(n^2)/d(n) = k\) لبعض \(n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الأعداد الصحيحة الموجبة الفردية: \[ \boxed{k=1,3,5,7,\ldots}. \]
الحل
إذا كان \(n=\prod_{i=1}^{s}p_i^{e_i}\) تحليله إلى عوامل أولية، فإن \[ d(n)=\prod_{i=1}^{s}(e_i+1), \qquad d(n^2)=\prod_{i=1}^{s}(2e_i+1). \] فالقاسم يتحدد باختيار أس كل عامل أولي على نحو مستقل. وتصح هاتان الصيغتان أيضًا عندما \(n=1\)، حيث تكون الجداءات فارغة.
على وجه الخصوص، \(d(n^2)\) فردي. لذلك، إذا كان \(d(n^2)=k\,d(n)\)، فلا بد أن يكون \(k\) فرديًا.
نثبت الآن أن كل عدد صحيح موجب فردي يمكن أن يتحقق. لكل عدد صحيح موجب فردي \(t\)، نضع \[ F(t)=\frac{2t-1}{t}, \] ولتكن \(\mathcal S\) مجموعة جميع الجداءات المنتهية لمثل هذه الأعداد، بما فيها الجداء الفارغ \(1\). هذه المجموعة مغلقة بالنسبة إلى الضرب. فضلًا عن ذلك، فإن كل عنصر من \(\mathcal S\) يمثل نسبة ممكنة لعددي القواسم: فلأعداد أولية متمايزة \(q_1,\ldots,q_m\)، يعطي اختيار \[ n=\prod_{i=1}^{m}q_i^{t_i-1} \] العلاقة \[ \frac{d(n^2)}{d(n)} =\prod_{i=1}^{m}\frac{2t_i-1}{t_i}. \]
نحتاج إلى اللمّة التالية القائمة على متطابقة.
لمّة. لكل عدد صحيح موجب فردي \(a\) ولكل عدد صحيح \(r\geq1\)، \[ \frac{2^r a-1}{a}\in\mathcal S. \]
البرهان. نستخدم الاستقراء على \(r\)، ونثبت العبارة لجميع الأعداد الموجبة الفردية \(a\) في آن واحد. عندما \(r=1\)، تكون العبارة \(F(a)\).
افترض أن \(r\geq2\) وأن العبارة صحيحة من أجل \(r-1\). نضع \[ b=2a+1,\qquad c=2^{r-1}b-1. \] كلا العددين \(b\) و\(c\) صحيح موجب فردي. وبفرضية الاستقراء، \[ \frac cb=\frac{2^{r-1}b-1}{b}\in\mathcal S. \] وكذلك \(F(ac)\in\mathcal S\). وبما أن \[ 2ac-1 =2a(2^{r-1}b-1)-1 =2^rab-b =b(2^ra-1), \] فإن حاصل ضربهما هو \[ F(ac)\frac cb =\frac{2ac-1}{ac}\frac cb =\frac{2^ra-1}{a}. \] وهذا يثبت اللمّة. \(\square\)
أخيرًا، نستخدم الاستقراء القوي على العدد الصحيح الموجب الفردي \(k\) لإثبات أن \(k\in\mathcal S\). الحالة \(k=1\) هي الجداء الفارغ، وتتحقق عند \(n=1\).
من أجل \(k>1\)، نكتب \[ k+1=2^r a, \] حيث \(r\geq1\) و\(a\) موجب وفردي. لدينا \[ a\leq\frac{k+1}{2}<k, \] ومن ثم \(a\in\mathcal S\) بالاستقراء. وتعطي اللمّة \[ \frac{k}{a}=\frac{2^ra-1}{a}\in\mathcal S. \] بضرب هذين العنصرين يتبين أن \(k\in\mathcal S\)، ومن ثم \(k=d(n^2)/d(n)\) لبعض الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\).
إذن الأعداد التي تتحقق هي بالضبط الأعداد الصحيحة الموجبة الفردية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.