IMO 2003 · Problem 2
Find all pairs \((m,n)\) of positive integers such that \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) is a positive integer.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All such pairs are \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Solution
If \(n=1\), the quotient is \(m/2\), so precisely the pairs \((2t,1)\) work.
Now suppose \(n>1\), and write \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] Thus \(m\) is a root of \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] The other root is the integer \(m'=2kn^2-m\). Moreover, \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] so \(m'>0\).
Since \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] the number \(n\) lies strictly between the two roots. Consequently, their smaller root \(r\) is an integer satisfying \[ 0<r<n. \] As \(f(r)=0\), we have \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] If \(2r-n\le -1\), the right-hand side is negative, which is impossible. If \(2r-n\ge1\), then \[ r^2\ge n^2+1, \] contradicting \(r<n\). Therefore \(2r-n=0\). It follows that \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] In particular, \(n\) is even. The larger root is \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] Writing \(n=2t\), the original \(m\) must therefore be either \(t\) or \(8t^4-t\).
Finally, both possibilities work. For \((m,n)=(t,2t)\), the denominator is \(1\), so the quotient is \(t^2\). For \((m,n)=(8t^4-t,2t)\), we have \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] so the quotient is again \(t^2\). Together with the case \(n=1\), this proves the answer.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2003 · Aufgabe 2
Bestimme alle Paare \((m,n)\) positiver ganzer Zahlen, für die \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) eine positive ganze Zahl ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle solchen Paare sind \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Lösung
Für \(n=1\) ist der Quotient gleich \(m/2\), sodass genau die Paare \((2t,1)\) die Bedingung erfüllen.
Sei nun \(n>1\), und wir schreiben \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] Damit ist \(m\) eine Nullstelle von \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] Die andere Nullstelle ist die ganze Zahl \(m'=2kn^2-m\). Außerdem gilt \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] also \(m'>0\).
Wegen \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] liegt die Zahl \(n\) strikt zwischen den beiden Nullstellen. Folglich ist die kleinere Nullstelle \(r\) eine ganze Zahl mit \[ 0<r<n. \] Aus \(f(r)=0\) folgt \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] Für \(2r-n\le -1\) ist die rechte Seite negativ, was unmöglich ist. Für \(2r-n\ge1\) gilt hingegen \[ r^2\ge n^2+1, \] im Widerspruch zu \(r<n\). Daher ist \(2r-n=0\). Es folgt \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] Insbesondere ist \(n\) gerade. Die größere Nullstelle ist \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] Schreiben wir \(n=2t\), so muss das ursprüngliche \(m\) also entweder \(t\) oder \(8t^4-t\) sein.
Schließlich erfüllen beide Möglichkeiten die Bedingung. Für \((m,n)=(t,2t)\) ist der Nenner gleich \(1\), also der Quotient gleich \(t^2\). Für \((m,n)=(8t^4-t,2t)\) gilt \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] also ist der Quotient wiederum gleich \(t^2\). Zusammen mit dem Fall \(n=1\) beweist dies die angegebene Antwort.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2003 · Soru 2
\(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) ifadesinin pozitif bir tam sayı olduğu tüm pozitif tam sayı \((m,n)\) ikililerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Bu koşulu sağlayan tüm ikililer \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}} \] biçimindedir.
Çözüm
\(n=1\) ise bölüm \(m/2\) olur; dolayısıyla koşulu sağlayan ikililer tam olarak \((2t,1)\) ikilileridir.
Şimdi \(n>1\) olduğunu varsayalım ve \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0} \] yazalım. Böylece \(m\), \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1) \] polinomunun bir köküdür. Diğer kök, \(m'=2kn^2-m\) tam sayısıdır. Ayrıca, \[ mm'=k(n^3-1)>0 \] olduğundan \(m'>0\) olur.
\[ f(n)=n^2-kn^3-k<0 \] olduğundan, \(n\) sayısı iki kökün kesin olarak arasındadır. Dolayısıyla, köklerden küçük olanı \(r\), \[ 0<r<n \] koşulunu sağlayan bir tam sayıdır. \(f(r)=0\) olduğundan, \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr) \] elde ederiz. \(2r-n\le -1\) ise sağ taraf negatiftir; bu ise olanaksızdır. \(2r-n\ge1\) ise \[ r^2\ge n^2+1 \] olur ve bu, \(r<n\) ile çelişir. O hâlde \(2r-n=0\) olmalıdır. Buradan \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4} \] elde edilir. Özellikle, \(n\) çifttir. Büyük kök \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2} \] olur. \(n=2t\) yazarsak, başlangıçtaki \(m\) sayısının ya \(t\) ya da \(8t^4-t\) olması gerektiği sonucuna varırız.
Son olarak, her iki olasılık da koşulu sağlar. \((m,n)=(t,2t)\) için payda \(1\) olduğundan bölüm \(t^2\) olur. \((m,n)=(8t^4-t,2t)\) için \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2 \] olduğundan bölüm yine \(t^2\) olur. Bu, \(n=1\) durumu ile birlikte, verilen cevabı kanıtlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2003 · Problema 2
Encontrar todos los pares \((m,n)\) de enteros positivos tales que \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) sea un entero positivo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todos esos pares son \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Solución
Si \(n=1\), el cociente es \(m/2\), por lo que los pares que cumplen la condición son precisamente \((2t,1)\).
Supongamos ahora que \(n>1\), y escribamos \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] Así, \(m\) es una raíz de \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] La otra raíz es el entero \(m'=2kn^2-m\). Además, \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] por lo que \(m'>0\).
Como \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] el número \(n\) está estrictamente entre las dos raíces. Por consiguiente, la menor de ellas, \(r\), es un entero que satisface \[ 0<r<n. \] Como \(f(r)=0\), tenemos \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] Si \(2r-n\le -1\), el miembro derecho es negativo, lo cual es imposible. Si \(2r-n\ge1\), entonces \[ r^2\ge n^2+1, \] lo que contradice \(r<n\). Por tanto, \(2r-n=0\). Se sigue que \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] En particular, \(n\) es par. La raíz mayor es \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] Escribiendo \(n=2t\), el valor original de \(m\) debe ser, por tanto, \(t\) o \(8t^4-t\).
Finalmente, ambas posibilidades cumplen la condición. Para \((m,n)=(t,2t)\), el denominador es \(1\), por lo que el cociente es \(t^2\). Para \((m,n)=(8t^4-t,2t)\), tenemos \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] de modo que el cociente vuelve a ser \(t^2\). Junto con el caso \(n=1\), esto demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2003 · 问题 2
求所有正整数对 \((m,n)\),使得 \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) 为正整数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
所有满足条件的数对为 \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
解答
若 \(n=1\),则商为 \(m/2\),因此恰好所有形如 \((2t,1)\) 的数对满足条件。
现在设 \(n>1\),并记 \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] 于是 \(m\) 是下列多项式的一个根: \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] 另一个根为整数 \(m'=2kn^2-m\)。此外, \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] 所以 \(m'>0\)。
由于 \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] 数 \(n\) 严格介于这两个根之间。因此,较小的根 \(r\) 是整数,且满足 \[ 0<r<n. \] 由 \(f(r)=0\),可得 \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] 若 \(2r-n\le -1\),则右端为负数,这是不可能的。若 \(2r-n\ge1\),则 \[ r^2\ge n^2+1, \] 与 \(r<n\) 矛盾。因此 \(2r-n=0\)。由此可得 \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] 特别地,\(n\) 为偶数。较大的根为 \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] 令 \(n=2t\),则原来的 \(m\) 必为 \(t\) 或 \(8t^4-t\)。
最后,这两种情形都满足条件。对于 \((m,n)=(t,2t)\),分母为 \(1\),所以商为 \(t^2\)。对于 \((m,n)=(8t^4-t,2t)\),有 \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] 所以商仍为 \(t^2\)。结合 \(n=1\) 的情形,即得所述答案。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2003 · Задача 2
Найдите все пары \((m,n)\) положительных целых чисел, для которых \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) является положительным целым числом.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все такие пары имеют вид \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Решение
Если \(n=1\), то частное равно \(m/2\), поэтому подходят в точности пары \((2t,1)\).
Теперь предположим, что \(n>1\), и запишем \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] Таким образом, \(m\) является корнем многочлена \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] Другой корень — целое число \(m'=2kn^2-m\). Кроме того, \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] так что \(m'>0\).
Поскольку \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] число \(n\) лежит строго между двумя корнями. Следовательно, меньший из них, \(r\), — целое число, удовлетворяющее условию \[ 0<r<n. \] Так как \(f(r)=0\), имеем \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] Если \(2r-n\le -1\), то правая часть отрицательна, что невозможно. Если \(2r-n\ge1\), то \[ r^2\ge n^2+1, \] что противоречит неравенству \(r<n\). Поэтому \(2r-n=0\). Отсюда следует, что \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] В частности, \(n\) чётно. Больший корень равен \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] Положив \(n=2t\), получаем, что исходное число \(m\) должно равняться либо \(t\), либо \(8t^4-t\).
Наконец, оба варианта подходят. Для \((m,n)=(t,2t)\) знаменатель равен \(1\), поэтому частное равно \(t^2\). Для \((m,n)=(8t^4-t,2t)\) имеем \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] поэтому частное снова равно \(t^2\). Вместе со случаем \(n=1\) это доказывает приведённый ответ.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2003 · المسألة 2
أوجد جميع أزواج الأعداد الصحيحة الموجبة \((m,n)\) التي يكون فيها \(\frac{m^2}{2mn^2-n^3+1}\) عددًا صحيحًا موجبًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع هذه الأزواج هي \[ \boxed{(m,n)=(2t,1),\quad (t,2t),\quad (8t^4-t,2t), \qquad t\in\mathbb Z_{>0}.} \]
الحل
إذا كان \(n=1\)، فإن خارج القسمة هو \(m/2\)، ومن ثم فإن الأزواج التي تحقق المطلوب هي بالضبط \((2t,1)\).
لنفترض الآن أن \(n>1\)، ولنكتب \[ m^2=k(2mn^2-n^3+1),\qquad k\in\mathbb Z_{>0}. \] إذن \(m\) جذر لكثير الحدود \[ f(x)=x^2-2kn^2x+k(n^3-1). \] والجذر الآخر هو العدد الصحيح \(m'=2kn^2-m\). فضلًا عن ذلك، \[ mm'=k(n^3-1)>0, \] ومن ثم \(m'>0\).
بما أن \[ f(n)=n^2-kn^3-k<0, \] فإن العدد \(n\) يقع بين الجذرين تمامًا. وبالتالي فإن الجذر الأصغر \(r\) عدد صحيح يحقق \[ 0<r<n. \] وبما أن \(f(r)=0\)، فإن لدينا \[ r^2=k\bigl(n^2(2r-n)+1\bigr). \] إذا كان \(2r-n\le -1\)، فإن الطرف الأيمن سالب، وهذا مستحيل. وإذا كان \(2r-n\ge1\)، فإن \[ r^2\ge n^2+1, \] وهذا يناقض \(r<n\). إذن \(2r-n=0\). وينتج عن ذلك أن \[ r=\frac n2,\qquad k=r^2=\frac{n^2}{4}. \] وعلى وجه الخصوص، فإن \(n\) زوجي. أما الجذر الأكبر فهو \[ 2kn^2-r=\frac{n^4-n}{2}. \] بكتابة \(n=2t\)، نجد أن القيمة الأصلية لـ\(m\) لا بد أن تكون إما \(t\) أو \(8t^4-t\).
وأخيرًا، كلا الاحتمالين يحقق المطلوب. ففي الحالة \((m,n)=(t,2t)\)، يكون المقام \(1\)، ومن ثم يكون خارج القسمة \(t^2\). وفي الحالة \((m,n)=(8t^4-t,2t)\)، لدينا \[ m=t(8t^3-1),\qquad 2mn^2-n^3+1=(8t^3-1)^2, \] فيكون خارج القسمة مرة أخرى \(t^2\). وبضم ذلك إلى الحالة \(n=1\)، تثبت الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.