IMO 2002 · Problem 3
Find all pairs of integers \(m>2,n>2\) such that there are infinitely many positive integers \(k\) for which \(k^n+k^2-1\) divides \(k^m+k-1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
Solution
Suppose \((m,n)\) satisfies the condition. Set \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
First, we show that \(P\) divides \(Q\) as polynomials. Since \(P\) is monic, polynomial division gives \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] where \(A,R\in\mathbb Z[x]\) and either \(R=0\) or \(\deg R<n\). For every positive integer \(k\) satisfying the stated divisibility, \(P(k)\mid R(k)\). For all sufficiently large \(k\), \[ |R(k)|<P(k), \] so such a \(k\) must satisfy \(R(k)=0\). There are infinitely many such \(k\), hence \(R\) is identically zero. Thus \(P\mid Q\).
Because \(P(0)=-1\) and \(P(1)=1\), there is a real number \(\alpha\in(0,1)\) with \(P(\alpha)=0\). Polynomial divisibility also gives \(Q(\alpha)=0\), so \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] As \(1-\alpha<1-\alpha^2\), we have \(m>n\). Put \(d=m-n>0\). The identity \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] shows that \(P\) divides the expression on the right. Since \(P(1)=1\), the polynomials \(P(x)\) and \(x-1\) are relatively prime. Therefore \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] Comparing degrees yields \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{hence}\qquad m\ge 2n-1. \]
Now \(0<\alpha<1\), so \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] Multiplying by \(\alpha\) and dividing by \(1-\alpha>0\), we obtain \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] Consequently, \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] For \(0<\alpha<1\), this implies \(n\le3\). Since \(n>2\), necessarily \(n=3\).
Then \(\alpha^3=\alpha^n\), so equality holds in the preceding inequalities. In particular, \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] which forces \(m=2n-1=5\).
Finally, \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] Thus for \((m,n)=(5,3)\), the required divisibility holds for every positive integer \(k\), proving sufficiency.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2002 · Aufgabe 3
Bestimme alle Paare ganzer Zahlen \(m>2,n>2\), für die es unendlich viele positive ganze Zahlen \(k\) gibt, für die \(k^n+k^2-1\) ein Teiler von \(k^m+k-1\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
Lösung
Angenommen, \((m,n)\) erfüllt die Bedingung. Setzen wir \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
Zunächst zeigen wir, dass \(P\) das Polynom \(Q\) teilt. Da \(P\) normiert ist, ergibt die Polynomdivision \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] wobei \(A,R\in\mathbb Z[x]\) und entweder \(R=0\) oder \(\deg R<n\) gilt. Für jede positive ganze Zahl \(k\), die die angegebene Teilbarkeitsbedingung erfüllt, gilt \(P(k)\mid R(k)\). Für alle hinreichend großen \(k\) gilt \[ |R(k)|<P(k), \] also muss ein solches \(k\) die Gleichung \(R(k)=0\) erfüllen. Es gibt unendlich viele solche \(k\), also ist \(R\) identisch null. Somit gilt \(P\mid Q\).
Wegen \(P(0)=-1\) und \(P(1)=1\) gibt es eine reelle Zahl \(\alpha\in(0,1)\) mit \(P(\alpha)=0\). Aus der Teilbarkeit der Polynome folgt auch \(Q(\alpha)=0\), also \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] Da \(1-\alpha<1-\alpha^2\), gilt \(m>n\). Setzen wir \(d=m-n>0\). Die Identität \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] zeigt, dass \(P\) den Ausdruck auf der rechten Seite teilt. Wegen \(P(1)=1\) sind die Polynome \(P(x)\) und \(x-1\) teilerfremd. Daher gilt \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] Ein Vergleich der Grade ergibt \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{also}\qquad m\ge 2n-1. \]
Nun ist \(0<\alpha<1\), also \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] Durch Multiplikation mit \(\alpha\) und Division durch \(1-\alpha>0\) erhalten wir \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] Folglich gilt \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] Für \(0<\alpha<1\) folgt daraus \(n\le3\). Da \(n>2\), muss \(n=3\) gelten.
Dann ist \(\alpha^3=\alpha^n\), sodass in den vorangehenden Ungleichungen Gleichheit gilt. Insbesondere gilt \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] woraus zwingend \(m=2n-1=5\) folgt.
Schließlich gilt \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] Somit gilt für \((m,n)=(5,3)\) die geforderte Teilbarkeit für jede positive ganze Zahl \(k\), womit auch die hinreichende Bedingung bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2002 · Soru 3
\(k^n+k^2-1\) sayısının \(k^m+k-1\) sayısını böldüğü sonsuz sayıda pozitif tam sayı \(k\) bulunacak şekilde tüm \(m>2,n>2\) tam sayı ikililerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
Çözüm
\((m,n)\) ikilisinin koşulu sağladığını varsayalım. \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1 \] olarak tanımlayalım.
Önce \(P\)'nin polinom olarak \(Q\)'yu böldüğünü gösterelim. \(P\)'nin başkatsayısı bir olduğundan, polinom bölme işlemiyle \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] elde edilir; burada \(A,R\in\mathbb Z[x]\) ve ya \(R=0\) ya da \(\deg R<n\)'dir. Verilen bölünebilme koşulunu sağlayan her pozitif tam sayı \(k\) için \(P(k)\mid R(k)\) olur. Yeterince büyük tüm \(k\)'lar için \[ |R(k)|<P(k), \] olduğundan, böyle bir \(k\) mutlaka \(R(k)=0\) koşulunu sağlamalıdır. Böyle sonsuz sayıda \(k\) vardır; dolayısıyla \(R\) özdeş olarak sıfırdır. Böylece \(P\mid Q\).
\(P(0)=-1\) ve \(P(1)=1\) olduğundan, \(P(\alpha)=0\) koşulunu sağlayan bir \(\alpha\in(0,1)\) gerçel sayısı vardır. Polinomların bölünebilirliğinden \(Q(\alpha)=0\) da elde edilir; dolayısıyla \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] \(1-\alpha<1-\alpha^2\) olduğundan \(m>n\) olur. \(d=m-n>0\) alalım. \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] özdeşliği, \(P\)'nin sağ taraftaki ifadeyi böldüğünü gösterir. \(P(1)=1\) olduğundan, \(P(x)\) ve \(x-1\) polinomları aralarında asaldır. Bu nedenle \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] Dereceleri karşılaştırarak \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad m\ge 2n-1 \] elde ederiz.
Şimdi \(0<\alpha<1\) olduğundan, \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] \(\alpha\) ile çarpıp \(1-\alpha>0\)'a bölerek \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3 \] elde ederiz. Bunun sonucunda, \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] \(0<\alpha<1\) için bu, \(n\le3\) olmasını gerektirir. \(n>2\) olduğundan, zorunlu olarak \(n=3\)'tür.
Bu durumda \(\alpha^3=\alpha^n\) olduğundan, önceki eşitsizliklerde eşitlik sağlanır. Özellikle, \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] olduğundan \(m=2n-1=5\) olmak zorundadır.
Son olarak, \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] Dolayısıyla \((m,n)=(5,3)\) için istenen bölünebilme her pozitif tam sayı \(k\) için sağlanır; böylece yeterlilik de kanıtlanmış olur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2002 · Problema 3
Hallar todos los pares de enteros \(m>2,n>2\) tales que existan infinitos enteros positivos \(k\) para los cuales \(k^n+k^2-1\) divide a \(k^m+k-1\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
Solución
Supongamos que \((m,n)\) satisface la condición. Sean \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
Primero demostraremos que \(P\) divide a \(Q\) como polinomios. Como \(P\) es mónico, la división de polinomios da \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] donde \(A,R\in\mathbb Z[x]\) y, o bien \(R=0\), o bien \(\deg R<n\). Para todo entero positivo \(k\) que satisfaga la divisibilidad indicada, \(P(k)\mid R(k)\). Para todo \(k\) suficientemente grande, \[ |R(k)|<P(k), \] por lo que tal \(k\) debe satisfacer \(R(k)=0\). Hay infinitos valores de \(k\) de este tipo, de modo que \(R\) es idénticamente nulo. Así, \(P\mid Q\).
Como \(P(0)=-1\) y \(P(1)=1\), existe un número real \(\alpha\in(0,1)\) tal que \(P(\alpha)=0\). La divisibilidad de los polinomios también da \(Q(\alpha)=0\), por lo que \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] Como \(1-\alpha<1-\alpha^2\), tenemos \(m>n\). Sea \(d=m-n>0\). La identidad \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] muestra que \(P\) divide a la expresión de la derecha. Como \(P(1)=1\), los polinomios \(P(x)\) y \(x-1\) son primos entre sí. Por tanto, \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] Comparando los grados se obtiene \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{por tanto}\qquad m\ge 2n-1. \]
Ahora bien, \(0<\alpha<1\), por lo que \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] Multiplicando por \(\alpha\) y dividiendo entre \(1-\alpha>0\), obtenemos \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] En consecuencia, \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] Para \(0<\alpha<1\), esto implica \(n\le3\). Como \(n>2\), necesariamente \(n=3\).
Entonces \(\alpha^3=\alpha^n\), por lo que se da la igualdad en las desigualdades anteriores. En particular, \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] lo que obliga a que \(m=2n-1=5\).
Por último, \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] Así, para \((m,n)=(5,3)\), la divisibilidad requerida se cumple para todo entero positivo \(k\), lo que demuestra la suficiencia.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2002 · 问题 3
求所有满足 \(m>2,n>2\) 的整数对,使得有无穷多个正整数 \(k\) 满足 \(k^n+k^2-1\) 整除 \(k^m+k-1\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
解答
假设 \((m,n)\) 满足条件。令 \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
首先证明,多项式 \(P\) 整除 \(Q\)。由于 \(P\) 的首项系数为一,由多项式除法得 \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] 其中 \(A,R\in\mathbb Z[x]\),且或者 \(R=0\),或者 \(\deg R<n\)。对于每个满足题述整除条件的正整数 \(k\),都有 \(P(k)\mid R(k)\)。当 \(k\) 充分大时, \[ |R(k)|<P(k), \] 所以这样的 \(k\) 必须满足 \(R(k)=0\)。这样的 \(k\) 有无穷多个,因此 \(R\) 恒为零。于是 \(P\mid Q\)。
因为 \(P(0)=-1\) 且 \(P(1)=1\),存在实数 \(\alpha\in(0,1)\) 使得 \(P(\alpha)=0\)。由多项式的整除关系还可知 \(Q(\alpha)=0\),所以 \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] 由于 \(1-\alpha<1-\alpha^2\),有 \(m>n\)。令 \(d=m-n>0\)。由恒等式 \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] 可知,\(P\) 整除右端的表达式。由于 \(P(1)=1\),多项式 \(P(x)\) 与 \(x-1\) 互素。因此 \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] 比较次数,得到 \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{从而}\qquad m\ge 2n-1. \]
现在,由 \(0<\alpha<1\),有 \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] 两边乘以 \(\alpha\) 并除以 \(1-\alpha>0\),得到 \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] 因此, \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] 由于 \(0<\alpha<1\),这意味着 \(n\le3\)。又因 \(n>2\),必有 \(n=3\)。
此时 \(\alpha^3=\alpha^n\),所以上述各不等式均取等号。特别地, \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] 这就迫使 \(m=2n-1=5\)。
最后, \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] 因此,当 \((m,n)=(5,3)\) 时,所要求的整除关系对每个正整数 \(k\) 都成立,充分性得证。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2002 · Задача 3
Найдите все пары целых чисел \(m>2,n>2\), для которых существует бесконечно много положительных целых чисел \(k\), таких что \(k^n+k^2-1\) делит \(k^m+k-1\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
Решение
Предположим, что \((m,n)\) удовлетворяет условию. Положим \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
Сначала покажем, что многочлен \(P\) делит многочлен \(Q\). Поскольку старший коэффициент \(P\) равен единице, деление многочленов с остатком даёт \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] где \(A,R\in\mathbb Z[x]\) и либо \(R=0\), либо \(\deg R<n\). Для каждого положительного целого \(k\), удовлетворяющего указанному условию делимости, имеем \(P(k)\mid R(k)\). При всех достаточно больших \(k\) \[ |R(k)|<P(k), \] поэтому для такого \(k\) должно выполняться \(R(k)=0\). Таких \(k\) бесконечно много, следовательно, \(R\) тождественно равен нулю. Таким образом, \(P\mid Q\).
Поскольку \(P(0)=-1\) и \(P(1)=1\), существует действительное число \(\alpha\in(0,1)\), для которого \(P(\alpha)=0\). Из делимости многочленов также следует \(Q(\alpha)=0\), поэтому \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] Так как \(1-\alpha<1-\alpha^2\), получаем \(m>n\). Положим \(d=m-n>0\). Тождество \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] показывает, что \(P\) делит выражение в правой части. Поскольку \(P(1)=1\), многочлены \(P(x)\) и \(x-1\) взаимно просты. Следовательно, \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] Сравнение степеней даёт \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{откуда}\qquad m\ge 2n-1. \]
Теперь, поскольку \(0<\alpha<1\), \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] Умножая на \(\alpha\) и деля на \(1-\alpha>0\), получаем \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] Следовательно, \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] При \(0<\alpha<1\) отсюда следует \(n\le3\). Поскольку \(n>2\), необходимо \(n=3\).
Тогда \(\alpha^3=\alpha^n\), поэтому в предыдущих неравенствах достигается равенство. В частности, \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] откуда обязательно \(m=2n-1=5\).
Наконец, \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] Таким образом, для \((m,n)=(5,3)\) требуемая делимость выполняется при каждом положительном целом \(k\), что доказывает достаточность.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2002 · المسألة 3
أوجد جميع أزواج الأعداد الصحيحة \(m>2,n>2\) التي يوجد من أجلها عدد لا نهائي من الأعداد الصحيحة الموجبة \(k\) بحيث يقسم \(k^n+k^2-1\) العدد \(k^m+k-1\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{(m,n)=(5,3)}. \]
الحل
لنفترض أن \((m,n)\) يحقق الشرط. لنضع \[ P(x)=x^n+x^2-1,\qquad Q(x)=x^m+x-1. \]
نثبت أولًا أن \(P\) يقسم \(Q\) بوصفهما كثيرتي حدود. بما أن \(P\) أحادي المعامل الرئيس، فإن قسمة كثيرات الحدود تعطينا \[ Q(x)=A(x)P(x)+R(x), \] حيث \(A,R\in\mathbb Z[x]\)، وإما أن يكون \(R=0\) أو أن يكون \(\deg R<n\). ولكل عدد صحيح موجب \(k\) يحقق القابلية للقسمة المذكورة، يكون \(P(k)\mid R(k)\). ولكل \(k\) كبير بما يكفي، لدينا \[ |R(k)|<P(k), \] لذا يجب أن تحقق كل قيمة من هذا القبيل لـ \(k\) المساواة \(R(k)=0\). وتوجد قيم لا نهائية من هذا القبيل لـ \(k\)، ومن ثم فإن \(R\) منعدم تطابقيًا. إذن \(P\mid Q\).
بما أن \(P(0)=-1\) و\(P(1)=1\)، فإنه يوجد عدد حقيقي \(\alpha\in(0,1)\) يحقق \(P(\alpha)=0\). وتعطينا قابلية القسمة بين كثيرتي الحدود أيضًا \(Q(\alpha)=0\)، ومن ثم \[ \alpha^n=1-\alpha^2,\qquad \alpha^m=1-\alpha. \] وبما أن \(1-\alpha<1-\alpha^2\)، فإن \(m>n\). لنضع \(d=m-n>0\). تُظهر المتطابقة \[ Q(x)-x^dP(x) =-(x-1)\bigl(x^{d+1}+x^d-1\bigr) \] أن \(P\) يقسم التعبير في الطرف الأيمن. وبما أن \(P(1)=1\)، فإن كثيرتي الحدود \(P(x)\) و\(x-1\) أوليتان فيما بينهما. ولذلك \[ P(x)\mid x^{d+1}+x^d-1. \] وبمقارنة الدرجات نحصل على \[ n\le d+1=m-n+1, \qquad\text{ومن ثم}\qquad m\ge 2n-1. \]
والآن لدينا \(0<\alpha<1\)، لذا \[ 1-\alpha=\alpha^m \le\alpha^{2n-1} =\frac{(1-\alpha^2)^2}{\alpha}. \] وبالضرب في \(\alpha\) والقسمة على \(1-\alpha>0\)، نحصل على \[ \alpha\le(1-\alpha)(1+\alpha)^2 =1+\alpha-\alpha^2-\alpha^3. \] وبناءً عليه، \[ \alpha^3\le1-\alpha^2=\alpha^n. \] عندما يكون \(0<\alpha<1\)، يستلزم ذلك \(n\le3\). وبما أن \(n>2\)، فلا بد أن يكون \(n=3\).
عندئذ تكون \(\alpha^3=\alpha^n\)، فتتحقق المساواة في المتباينات السابقة. وعلى وجه الخصوص، \[ \alpha^m=\alpha^{2n-1}, \] مما يفرض \(m=2n-1=5\).
وأخيرًا، \[ x^5+x-1=(x^3+x^2-1)(x^2-x+1). \] إذن، من أجل \((m,n)=(5,3)\)، تتحقق القابلية للقسمة المطلوبة لكل عدد صحيح موجب \(k\)، وهذا يثبت الكفاية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.