IMO 2002 · Problem 4
The positive divisors of the integer \(n > 1\) are \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\), so that \(d_1 = 1, d_k = n\). Let \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\). Show that \(d < n^2\) and find all \(n\) for which \(d\) divides \(n^2\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Exactly all prime numbers \(n\).
Solution
For each \(i=1,\ldots,k-1\), the numbers \(n/d_i\) and \(n/d_{i+1}\) are distinct integers, so \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] Multiplying by \(d_id_{i+1}\) gives \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] Summing these inequalities, we obtain \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
Now suppose that \(d\mid n^2\), and let \(p\) be the smallest prime divisor of \(n\). The largest proper divisor of \(n\) is \(n/p\): indeed, for any proper divisor \(a\), the integer \(n/a>1\) divides \(n\), hence is at least \(p\). Thus \(d_{k-1}=n/p\).
If \(n\) is composite, then \(k\ge3\), so the sum defining \(d\) contains positive terms besides its last term. Consequently, \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] Together with \(d<n^2\), this shows that the integer \[ m=\frac{n^2}{d} \] satisfies \(1<m<p\). But any prime divisor \(q\) of \(m\) divides \(n^2\), and therefore divides \(n\). By the choice of \(p\), we have \(q\ge p\), contradicting \(q\le m<p\). Hence \(n\) must be prime.
Conversely, if \(n\) is prime, its only positive divisors are \(1,n\), so \(d=n\), which divides \(n^2\). This proves the claimed characterization.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2002 · Aufgabe 4
Die positiven Teiler der ganzen Zahl \(n > 1\) seien \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\), wobei \(d_1 = 1, d_k = n\) gilt. Sei \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\). Zeige, dass \(d < n^2\) gilt, und bestimme alle \(n\), für die \(d\) ein Teiler von \(n^2\) ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau alle Primzahlen \(n\).
Lösung
Für jedes \(i=1,\ldots,k-1\) sind die Zahlen \(n/d_i\) und \(n/d_{i+1}\) verschiedene ganze Zahlen, also gilt \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] Multiplikation mit \(d_id_{i+1}\) ergibt \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] Durch Summieren dieser Ungleichungen erhalten wir \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
Nehmen wir nun an, dass \(d\mid n^2\), und sei \(p\) der kleinste Primteiler von \(n\). Der größte echte Teiler von \(n\) ist \(n/p\): Für jeden echten Teiler \(a\) ist nämlich die ganze Zahl \(n/a>1\) ein Teiler von \(n\) und somit mindestens \(p\). Also gilt \(d_{k-1}=n/p\).
Ist \(n\) zusammengesetzt, so gilt \(k\ge3\), und die Summe, die \(d\) definiert, enthält neben ihrem letzten Summanden weitere positive Summanden. Folglich gilt \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] Zusammen mit \(d<n^2\) zeigt dies, dass die ganze Zahl \[ m=\frac{n^2}{d} \] die Ungleichungen \(1<m<p\) erfüllt. Aber jeder Primteiler \(q\) von \(m\) teilt \(n^2\) und daher auch \(n\). Nach der Wahl von \(p\) gilt \(q\ge p\), im Widerspruch zu \(q\le m<p\). Also muss \(n\) eine Primzahl sein.
Ist umgekehrt \(n\) eine Primzahl, so sind ihre einzigen positiven Teiler \(1,n\), also ist \(d=n\) ein Teiler von \(n^2\). Damit ist die behauptete Charakterisierung bewiesen.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2002 · Soru 4
\(n > 1\) tam sayısının pozitif bölenleri \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\) olsun; dolayısıyla \(d_1 = 1, d_k = n\)'dir. \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\) olsun. \(d < n^2\) olduğunu gösteriniz ve \(d\)'nin \(n^2\)'yi böldüğü tüm \(n\) sayılarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak tüm asal \(n\) sayıları.
Çözüm
Her \(i=1,\ldots,k-1\) için \(n/d_i\) ve \(n/d_{i+1}\) sayıları farklı tam sayılardır; dolayısıyla \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] \(d_id_{i+1}\) ile çarparak \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i) \] elde ederiz. Bu eşitsizlikleri toplayınca \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2 \] bulunur.
Şimdi \(d\mid n^2\) olduğunu varsayalım ve \(p\), \(n\)'nin en küçük asal böleni olsun. \(n\)'nin kendisinden küçük en büyük pozitif böleni \(n/p\)'dir: gerçekten de, kendisinden küçük herhangi bir pozitif böleni \(a\) için \(n/a>1\) tam sayısı \(n\)'yi böler ve bu nedenle en az \(p\)'dir. Dolayısıyla \(d_{k-1}=n/p\).
\(n\) bileşikse \(k\ge3\) olur; bu nedenle \(d\)'yi tanımlayan toplam, son teriminin yanı sıra başka pozitif terimler de içerir. Bunun sonucunda, \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] Bu eşitsizlik, \(d<n^2\) ile birlikte, \[ m=\frac{n^2}{d} \] tam sayısının \(1<m<p\) koşulunu sağladığını gösterir. Ancak \(m\)'nin herhangi bir asal böleni \(q\), \(n^2\)'yi ve dolayısıyla \(n\)'yi böler. \(p\)'nin seçimi gereği \(q\ge p\) olur; bu ise \(q\le m<p\) ile çelişir. O hâlde \(n\) asal olmalıdır.
Tersine, \(n\) asal ise tek pozitif bölenleri \(1,n\) olduğundan \(d=n\)'dir ve bu da \(n^2\)'yi böler. Böylece istenen nitelendirme kanıtlanmış olur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2002 · Problema 4
Los divisores positivos del entero \(n > 1\) son \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\), de modo que \(d_1 = 1, d_k = n\). Sea \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\). Demostrar que \(d < n^2\) y hallar todos los valores de \(n\) para los cuales \(d\) divide a \(n^2\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente todos los números primos \(n\).
Solución
Para cada \(i=1,\ldots,k-1\), los números \(n/d_i\) y \(n/d_{i+1}\) son enteros distintos, por lo que \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] Multiplicando por \(d_id_{i+1}\) se obtiene \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] Sumando estas desigualdades, obtenemos \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
Supongamos ahora que \(d\mid n^2\), y sea \(p\) el menor divisor primo de \(n\). El mayor divisor propio de \(n\) es \(n/p\): en efecto, para cualquier divisor propio \(a\), el entero \(n/a>1\) divide a \(n\), por lo que es al menos \(p\). Así, \(d_{k-1}=n/p\).
Si \(n\) es compuesto, entonces \(k\ge3\), por lo que la suma que define a \(d\) contiene términos positivos además de su último término. En consecuencia, \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] Junto con \(d<n^2\), esto muestra que el entero \[ m=\frac{n^2}{d} \] satisface \(1<m<p\). Pero cualquier divisor primo \(q\) de \(m\) divide a \(n^2\) y, por tanto, divide a \(n\). Por la elección de \(p\), tenemos \(q\ge p\), lo que contradice \(q\le m<p\). Por consiguiente, \(n\) debe ser primo.
Recíprocamente, si \(n\) es primo, sus únicos divisores positivos son \(1,n\), por lo que \(d=n\), que divide a \(n^2\). Esto demuestra la caracterización afirmada.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2002 · 问题 4
整数 \(n > 1\) 的所有正因数为 \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\),其中 \(d_1 = 1, d_k = n\)。令 \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\)。证明 \(d < n^2\),并求出所有使 \(d\) 整除 \(n^2\) 的 \(n\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
恰好为所有素数 \(n\)。
解答
对于每个 \(i=1,\ldots,k-1\),\(n/d_i\) 与 \(n/d_{i+1}\) 是不同的整数,因此 \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] 两边乘以 \(d_id_{i+1}\),得到 \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] 将这些不等式相加,得到 \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
现在假设 \(d\mid n^2\),并设 \(p\) 为 \(n\) 的最小素因数。\(n\) 的最大真因数为 \(n/p\):事实上,对于任意真因数 \(a\),整数 \(n/a>1\) 整除 \(n\),因此它不小于 \(p\)。于是 \(d_{k-1}=n/p\)。
如果 \(n\) 为合数,则 \(k\ge3\),所以定义 \(d\) 的和式中,除最后一项外还含有其他正项。因此, \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] 结合 \(d<n^2\),可知整数 \[ m=\frac{n^2}{d} \] 满足 \(1<m<p\)。但是,\(m\) 的任意素因数 \(q\) 都整除 \(n^2\),从而整除 \(n\)。由 \(p\) 的选取,有 \(q\ge p\),这与 \(q\le m<p\) 矛盾。因此 \(n\) 必为素数。
反之,若 \(n\) 为素数,则它的正因数只有 \(1,n\),所以 \(d=n\),它整除 \(n^2\)。这就证明了所述结论。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2002 · Задача 4
Положительные делители целого числа \(n > 1\) суть \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\), так что \(d_1 = 1, d_k = n\). Пусть \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\). Докажите, что \(d < n^2\), и найдите все \(n\), для которых \(d\) делит \(n^2\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все простые числа \(n\) и только они.
Решение
Для каждого \(i=1,\ldots,k-1\) числа \(n/d_i\) и \(n/d_{i+1}\) — различные целые числа, поэтому \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] Умножая на \(d_id_{i+1}\), получаем \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] Складывая эти неравенства, получаем \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
Теперь предположим, что \(d\mid n^2\), и пусть \(p\) — наименьший простой делитель \(n\). Наибольший собственный делитель \(n\) равен \(n/p\): действительно, для любого собственного делителя \(a\) целое число \(n/a>1\) делит \(n\) и потому не меньше \(p\). Таким образом, \(d_{k-1}=n/p\).
Если \(n\) составное, то \(k\ge3\), поэтому в сумме, определяющей \(d\), помимо последнего слагаемого есть и другие положительные слагаемые. Следовательно, \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] Вместе с \(d<n^2\) это показывает, что целое число \[ m=\frac{n^2}{d} \] удовлетворяет неравенствам \(1<m<p\). Но любой простой делитель \(q\) числа \(m\) делит \(n^2\), а значит, делит и \(n\). По выбору \(p\) имеем \(q\ge p\), что противоречит \(q\le m<p\). Следовательно, \(n\) должно быть простым.
Обратно, если \(n\) простое, то его единственные положительные делители — \(1,n\), поэтому \(d=n\), что делит \(n^2\). Это доказывает заявленную характеристику.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2002 · المسألة 4
القواسم الموجبة للعدد الصحيح \(n > 1\) هي \(d_1 < d_2 < \ldots < d_k\)، بحيث \(d_1 = 1, d_k = n\). ليكن \(d = d_1d_2 + d_2d_3 + \cdots + d_{k-1}d_k\). أثبت أن \(d < n^2\)، وأوجد جميع قيم \(n\) التي يقسم من أجلها \(d\) العدد \(n^2\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الأعداد الأولية \(n\)، دون غيرها.
الحل
لكل \(i=1,\ldots,k-1\)، العددان \(n/d_i\) و\(n/d_{i+1}\) عددان صحيحان مختلفان، لذا \[ \frac{n}{d_i}-\frac{n}{d_{i+1}}\ge 1. \] وبالضرب في \(d_id_{i+1}\) نحصل على \[ d_id_{i+1}\le n(d_{i+1}-d_i). \] وبجمع هذه المتباينات، نحصل على \[ d\le n\sum_{i=1}^{k-1}(d_{i+1}-d_i) =n(n-1)<n^2. \]
لنفترض الآن أن \(d\mid n^2\)، وليكن \(p\) أصغر قاسم أولي للعدد \(n\). أكبر قاسم للعدد \(n\) أصغر منه هو \(n/p\): بالفعل، لكل قاسم \(a\) للعدد \(n\) أصغر منه، يكون العدد الصحيح \(n/a>1\) قاسمًا للعدد \(n\)، ومن ثم لا يقل عن \(p\). إذن \(d_{k-1}=n/p\).
إذا كان \(n\) مركبًا، فإن \(k\ge3\)، لذا يحتوي المجموع الذي يعرّف \(d\) على حدود موجبة غير حده الأخير. وبناءً عليه، \[ d>d_{k-1}d_k=\frac{n^2}{p}. \] وبضم ذلك إلى \(d<n^2\)، يتبين أن العدد الصحيح \[ m=\frac{n^2}{d} \] يحقق \(1<m<p\). لكن أي قاسم أولي \(q\) للعدد \(m\) يقسم \(n^2\)، وبالتالي يقسم \(n\). وبحسب اختيار \(p\)، لدينا \(q\ge p\)، وهذا يناقض \(q\le m<p\). إذن لا بد أن يكون \(n\) أوليًا.
وعكسًا، إذا كان \(n\) أوليًا، فإن قاسميه الموجبين الوحيدين هما \(1,n\)، ومن ثم \(d=n\)، وهو يقسم \(n^2\). وهذا يثبت التوصيف المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.