IMO 2004 · Problem 6
We call a positive integer alternating if every two consecutive digits in its decimal representation are of different parity.
Find all positive integers \(n\) such that \(n\) has a multiple which is alternating.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{\text{All positive integers }n\text{ such that }20\nmid n.} \]
Solution
If \(20\mid n\), every multiple of \(n\) ends in \(00,20,40,60\), or \(80\). Its last two digits are both even, so it cannot be alternating. We prove that this is the only obstruction.
We first construct suitable alternating multiples of powers of \(2\) and \(5\). Let \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] For every \(c\in C\), the integer \(2c\) is a two-digit number with an odd tens digit and an even units digit. Consequently, any concatenation of such two-digit blocks is alternating.
The set \(C\) contains representatives of every residue modulo \(4\), since it contains \(5,6,7,8\). It also contains every residue modulo \(25\): its five displayed groups reduce, respectively, to \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
Fix \(q\in\{4,25\}\). We claim that for every \(k\ge0\), we can choose \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) such that \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{satisfies}\qquad q^k\mid S_k. \] For \(k=0\), take \(S_0=0\). Suppose \(S_k=q^ku\) has been constructed. Then \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] Since \(\gcd(100/q,q)=1\), and \(C\) represents every residue modulo \(q\), we can choose \(c_k\in C\) so that the expression in parentheses is divisible by \(q\). This proves the claim by induction.
For \(k\ge1\), the number \(2S_k\) is precisely the concatenation of the blocks \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] because every block lies between \(10\) and \(98\), so there are no carries between blocks. Thus it is alternating, has \(2k\) digits, begins with an odd digit, and ends with an even digit. Taking \(q=4\) and \(q=25\), respectively, gives such numbers divisible by \[ 2^{2k+1} \qquad\text{and}\qquad 2\cdot5^{2k}. \]
Now let \(20\nmid n\), and write \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \gcd(m,10)=1. \] If \(b=0\), choose \(k\ge1\) with \(2k+1\ge a\) and use the construction for \(q=4\). If \(b>0\), the condition \(20\nmid n\) implies \(a\le1\); choose \(k\ge1\) with \(2k\ge b\) and use the construction for \(q=25\).
In either case, we obtain an alternating number \(A\) of even length \(L\), beginning with an odd digit and ending with an even digit, such that \[ 2^a5^b\mid A. \]
Put \(B=10^L\), and define \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] Among \(R_0,R_1,\ldots,R_m\), two have the same remainder modulo \(m\). For some \(0\le i<j\le m\), therefore, \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] As \(\gcd(B,m)=1\), it follows that \(m\mid R_{j-i}\).
Finally, \(AR_{j-i}\) is the decimal concatenation of \(j-i\) copies of \(A\). It is alternating, including at every junction, since each copy ends with an even digit and the next begins with an odd digit. Moreover, \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] Thus every positive integer not divisible by \(20\) has an alternating multiple.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2004 · Aufgabe 6
Wir nennen eine positive ganze Zahl alternierend, wenn je zwei aufeinanderfolgende Ziffern ihrer Dezimaldarstellung unterschiedliche Parität haben.
Bestimme alle positiven ganzen Zahlen \(n\), für die \(n\) ein alternierendes Vielfaches besitzt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{\text{Alle positiven ganzen Zahlen }n\text{ mit }20\nmid n.} \]
Lösung
Falls \(20\mid n\) gilt, endet jedes Vielfache von \(n\) auf \(00,20,40,60\) oder \(80\). Seine letzten beiden Ziffern sind beide gerade, also kann es nicht alternierend sein. Wir beweisen, dass dies das einzige Hindernis ist.
Wir konstruieren zunächst geeignete alternierende Vielfache von Potenzen von \(2\) und \(5\). Sei \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] Für jedes \(c\in C\) ist die ganze Zahl \(2c\) zweistellig mit einer ungeraden Zehnerziffer und einer geraden Einerziffer. Folglich ist jede Aneinanderreihung solcher zweistelligen Blöcke alternierend.
Die Menge \(C\) enthält Vertreter jeder Restklasse modulo \(4\), da sie \(5,6,7,8\) enthält. Sie enthält außerdem Vertreter jeder Restklasse modulo \(25\): Ihre fünf angegebenen Gruppen ergeben bei Reduktion modulo \(25\) der Reihe nach \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
Sei \(q\in\{4,25\}\) fest gewählt. Wir behaupten, dass wir für jedes \(k\ge0\) Zahlen \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) so wählen können, dass \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{die Bedingung}\qquad q^k\mid S_k \] erfüllt. Für \(k=0\) wählen wir \(S_0=0\). Angenommen, \(S_k=q^ku\) ist bereits konstruiert. Dann ist \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] Da \(\operatorname{ggT}(100/q,q)=1\) gilt und \(C\) jede Restklasse modulo \(q\) vertritt, können wir \(c_k\in C\) so wählen, dass der Ausdruck in Klammern durch \(q\) teilbar ist. Damit ist die Behauptung durch Induktion bewiesen.
Für \(k\ge1\) ist die Zahl \(2S_k\) genau die Aneinanderreihung der Blöcke \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] denn jeder Block liegt zwischen \(10\) und \(98\), sodass zwischen den Blöcken keine Überträge auftreten. Sie ist also alternierend, hat \(2k\) Ziffern, beginnt mit einer ungeraden Ziffer und endet mit einer geraden Ziffer. Für \(q=4\) bzw. \(q=25\) erhalten wir solche Zahlen, die durch \[ 2^{2k+1} \qquad\text{bzw.}\qquad 2\cdot5^{2k} \] teilbar sind.
Sei nun \(20\nmid n\), und schreiben wir \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \operatorname{ggT}(m,10)=1. \] Falls \(b=0\), wählen wir \(k\ge1\) mit \(2k+1\ge a\) und verwenden die Konstruktion für \(q=4\). Falls \(b>0\), folgt aus der Bedingung \(20\nmid n\), dass \(a\le1\) gilt; wir wählen \(k\ge1\) mit \(2k\ge b\) und verwenden die Konstruktion für \(q=25\).
In beiden Fällen erhalten wir eine alternierende Zahl \(A\) mit gerader Stellenzahl \(L\), die mit einer ungeraden Ziffer beginnt und mit einer geraden Ziffer endet, sodass \[ 2^a5^b\mid A. \]
Setzen wir \(B=10^L\), und definieren wir \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] Unter \(R_0,R_1,\ldots,R_m\) haben zwei denselben Rest modulo \(m\). Für gewisse \(0\le i<j\le m\) gilt daher \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] Wegen \(\operatorname{ggT}(B,m)=1\) folgt \(m\mid R_{j-i}\).
Schließlich ist \(AR_{j-i}\) die dezimale Aneinanderreihung von \(j-i\) Kopien von \(A\). Sie ist alternierend, auch an jeder Verbindungsstelle, da jede Kopie mit einer geraden Ziffer endet und die nächste mit einer ungeraden Ziffer beginnt. Außerdem gilt \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] Somit besitzt jede positive ganze Zahl, die nicht durch \(20\) teilbar ist, ein alternierendes Vielfaches.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2004 · Soru 6
Onluk gösterimindeki ardışık her iki rakamın biri tek, diğeri çift olan bir pozitif tam sayıya alternanslı diyelim.
Alternanslı bir katı bulunan tüm pozitif \(n\) tam sayılarını bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{\text{Tüm pozitif }n\text{ tam sayıları, öyle ki }20\nmid n.} \]
Çözüm
Eğer \(20\mid n\) ise \(n\)'nin her katı \(00,20,40,60\) veya \(80\) ile biter. Son iki rakamı da çift olduğundan alternanslı olamaz. Tek engelin bu olduğunu kanıtlayacağız.
Önce \(2\) ve \(5\)'in kuvvetlerinin uygun alternanslı katlarını oluşturalım. Şöyle tanımlayalım: \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] Her \(c\in C\) için \(2c\) tam sayısı, onlar basamağı tek ve birler basamağı çift olan iki basamaklı bir sayıdır. Dolayısıyla, bu tür iki basamaklı blokların herhangi bir biçimde yan yana yazılmasıyla elde edilen sayı alternanslıdır.
\(C\) kümesi \(5,6,7,8\)'i içerdiğinden, modül \(4\)'teki her kalan sınıfının bir temsilcisini içerir. Ayrıca modül \(25\)'teki her kalan sınıfını da içerir: gösterilen beş grup, sırasıyla şu kalanları verir: \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
Bir \(q\in\{4,25\}\) seçelim. Her \(k\ge0\) için \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) sayılarının \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{için}\qquad q^k\mid S_k \] olacak biçimde seçilebileceğini iddia ediyoruz. \(k=0\) için \(S_0=0\) alalım. \(S_k=q^ku\)'nun oluşturulduğunu varsayalım. O zaman \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] \(\operatorname{ebob}(100/q,q)=1\) olduğundan ve \(C\), modül \(q\)'daki her kalan sınıfını temsil ettiğinden, \(c_k\in C\)'yi parantez içindeki ifade \(q\)'ya bölünecek biçimde seçebiliriz. Bu, iddiayı tümevarımla kanıtlar.
\(k\ge1\) için \(2S_k\) sayısı, tam olarak \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0 \] bloklarının yan yana yazılmasıyla elde edilir; çünkü her blok \(10\) ile \(98\) arasındadır ve bu nedenle bloklar arasında elde oluşmaz. Dolayısıyla bu sayı alternanslıdır, \(2k\) basamaklıdır, tek bir rakamla başlar ve çift bir rakamla biter. Sırasıyla \(q=4\) ve \(q=25\) alınarak \[ 2^{2k+1} \qquad\text{ve}\qquad 2\cdot5^{2k} \] ile bölünebilen bu tür sayılar elde edilir.
Şimdi \(20\nmid n\) olsun ve \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \operatorname{ebob}(m,10)=1 \] yazalım. Eğer \(b=0\) ise \(2k+1\ge a\) olacak biçimde \(k\ge1\) seçelim ve \(q=4\) için verilen inşayı kullanalım. Eğer \(b>0\) ise \(20\nmid n\) koşulu \(a\le1\) olmasını gerektirir; \(2k\ge b\) olacak biçimde \(k\ge1\) seçelim ve \(q=25\) için verilen inşayı kullanalım.
Her iki durumda da, basamak sayısı \(L\) çift olan, tek bir rakamla başlayıp çift bir rakamla biten ve \[ 2^a5^b\mid A \] koşulunu sağlayan alternanslı bir \(A\) sayısı elde ederiz.
\(B=10^L\) alalım ve \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1) \] olarak tanımlayalım. \(R_0,R_1,\ldots,R_m\) sayılarından ikisinin modül \(m\)'deki kalanları aynıdır. Dolayısıyla bazı \(0\le i<j\le m\) için \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] \(\operatorname{ebob}(B,m)=1\) olduğundan \(m\mid R_{j-i}\) elde edilir.
Son olarak, \(AR_{j-i}\), \(A\)'nın \(j-i\) kopyasının onluk gösterimde yan yana yazılmasıyla elde edilen sayıdır. Her kopya çift bir rakamla bittiğinden ve bir sonraki tek bir rakamla başladığından, bu sayı birleşme noktaları da dâhil olmak üzere alternanslıdır. Ayrıca, \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] Böylece \(20\)'ye bölünmeyen her pozitif tam sayının alternanslı bir katı vardır.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2004 · Problema 6
Llamamos alternante a un entero positivo si cada dos cifras consecutivas de su representación decimal tienen distinta paridad.
Halle todos los enteros positivos \(n\) tales que \(n\) tenga un múltiplo alternante.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{\text{Todos los enteros positivos }n\text{ tales que }20\nmid n.} \]
Solución
Si \(20\mid n\), todo múltiplo de \(n\) termina en \(00,20,40,60\) u \(80\). Sus dos últimas cifras son pares, por lo que no puede ser alternante. Demostramos que este es el único impedimento.
Construimos primero múltiplos alternantes adecuados de potencias de \(2\) y de \(5\). Sea \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] Para todo \(c\in C\), el entero \(2c\) es un número de dos cifras con la cifra de las decenas impar y la de las unidades par. En consecuencia, cualquier concatenación de estos bloques de dos cifras es alternante.
El conjunto \(C\) contiene representantes de todas las clases de residuos módulo \(4\), puesto que contiene \(5,6,7,8\). También contiene todas las clases de residuos módulo \(25\): sus cinco grupos mostrados se reducen, respectivamente, a \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
Fijemos \(q\in\{4,25\}\). Afirmamos que, para todo \(k\ge0\), podemos elegir \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) de modo que \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{satisfaga}\qquad q^k\mid S_k. \] Para \(k=0\), tomemos \(S_0=0\). Supongamos que se ha construido \(S_k=q^ku\). Entonces \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] Como \(\operatorname{mcd}(100/q,q)=1\), y \(C\) representa todas las clases de residuos módulo \(q\), podemos elegir \(c_k\in C\) de modo que la expresión entre paréntesis sea divisible por \(q\). Esto demuestra la afirmación por inducción.
Para \(k\ge1\), el número \(2S_k\) es precisamente la concatenación de los bloques \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] porque cada bloque está entre \(10\) y \(98\), por lo que no hay acarreos entre bloques. Así pues, es alternante, tiene \(2k\) cifras, comienza con una cifra impar y termina con una cifra par. Tomando \(q=4\) y \(q=25\), respectivamente, se obtienen números de este tipo divisibles por \[ 2^{2k+1} \qquad\text{y}\qquad 2\cdot5^{2k}. \]
Sea ahora \(20\nmid n\), y escribamos \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \operatorname{mcd}(m,10)=1. \] Si \(b=0\), elijamos \(k\ge1\) con \(2k+1\ge a\) y utilicemos la construcción para \(q=4\). Si \(b>0\), la condición \(20\nmid n\) implica \(a\le1\); elijamos \(k\ge1\) con \(2k\ge b\) y utilicemos la construcción para \(q=25\).
En cualquiera de los dos casos, obtenemos un número alternante \(A\) con un número par de cifras \(L\), que comienza con una cifra impar y termina con una cifra par, tal que \[ 2^a5^b\mid A. \]
Pongamos \(B=10^L\), y definamos \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] Entre \(R_0,R_1,\ldots,R_m\), hay dos que tienen el mismo resto módulo \(m\). Por tanto, para ciertos \(0\le i<j\le m\), \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] Como \(\operatorname{mcd}(B,m)=1\), se deduce que \(m\mid R_{j-i}\).
Finalmente, \(AR_{j-i}\) es la concatenación decimal de \(j-i\) copias de \(A\). Es alternante, también en cada unión, puesto que cada copia termina con una cifra par y la siguiente comienza con una cifra impar. Además, \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] Así pues, todo entero positivo no divisible por \(20\) tiene un múltiplo alternante.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2004 · 问题 6
如果一个正整数的十进制表示中每两个相邻数字的奇偶性都不同,就称它为交替数。
求所有正整数 \(n\),使得 \(n\) 有一个倍数是交替数。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{\text{所有正整数 }n\text{,其中 }20\nmid n.} \]
解答
若 \(20\mid n\),则 \(n\) 的每个倍数都以 \(00,20,40,60\) 或 \(80\) 结尾。其最后两位数字均为偶数,因而不可能是交替数。我们将证明这是唯一的障碍。
我们先构造适当的交替数,使其分别为 \(2\) 和 \(5\) 的幂的倍数。令 \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] 对每个 \(c\in C\),整数 \(2c\) 都是一个十位数字为奇数、个位数字为偶数的两位数。因此,将任意多个这样的两位数块连接起来,所得的数都是交替数。
集合 \(C\) 包含模 \(4\) 的每一个剩余类的代表元,因为它包含 \(5,6,7,8\)。它也包含模 \(25\) 的每一个剩余类的代表元:上面列出的五组数模 \(25\) 的余数分别为 \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
固定 \(q\in\{4,25\}\)。我们断言,对每个 \(k\ge0\),都可以选取 \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\),使得 \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{满足}\qquad q^k\mid S_k. \] 当 \(k=0\) 时,取 \(S_0=0\)。假设已经构造出 \(S_k=q^ku\)。则 \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] 由于 \(\gcd(100/q,q)=1\),且 \(C\) 包含模 \(q\) 的每一个剩余类的代表元,可以选取 \(c_k\in C\),使括号内的表达式被 \(q\) 整除。由归纳法,断言得证。
当 \(k\ge1\) 时,数 \(2S_k\) 恰好是将下列数块依次连接所得的数: \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] 因为每个数块都介于 \(10\) 与 \(98\) 之间,所以数块之间不会发生进位。因此,它是一个有 \(2k\) 位数字的交替数,首位为奇数,末位为偶数。分别取 \(q=4\) 和 \(q=25\),就得到具有这些性质且分别被 \[ 2^{2k+1} \qquad\text{和}\qquad 2\cdot5^{2k} \] 整除的数。
现在设 \(20\nmid n\),并写成 \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \gcd(m,10)=1. \] 若 \(b=0\),选取满足 \(2k+1\ge a\) 的 \(k\ge1\),并使用 \(q=4\) 时的构造。若 \(b>0\),则条件 \(20\nmid n\) 蕴含 \(a\le1\);选取满足 \(2k\ge b\) 的 \(k\ge1\),并使用 \(q=25\) 时的构造。
无论哪种情形,我们都得到一个位数 \(L\) 为偶数、首位为奇数、末位为偶数的交替数 \(A\),且满足 \[ 2^a5^b\mid A. \]
令 \(B=10^L\),并定义 \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] 在 \(R_0,R_1,\ldots,R_m\) 中,至少有两个数模 \(m\) 的余数相同。因此,存在 \(0\le i<j\le m\),使得 \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] 由于 \(\gcd(B,m)=1\),可知 \(m\mid R_{j-i}\)。
最后,\(AR_{j-i}\) 就是将 \(j-i\) 个 \(A\) 的十进制表示依次连接所得的数。它是交替数,包括每个连接处也满足奇偶交替,因为每一份都以偶数数字结尾,而下一份以奇数数字开头。此外, \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] 因此,每个不能被 \(20\) 整除的正整数都有一个交替数倍数。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2004 · Задача 6
Назовём положительное целое число чередующимся, если любые две соседние цифры в его десятичной записи имеют разную чётность.
Найдите все положительные целые числа \(n\), имеющие чередующееся кратное.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{\text{Все положительные целые числа }n\text{, для которых }20\nmid n.} \]
Решение
Если \(20\mid n\), то каждое кратное \(n\) оканчивается на \(00,20,40,60\) или \(80\). Обе его последние цифры чётны, поэтому оно не может быть чередующимся. Докажем, что это единственное препятствие.
Сначала построим подходящие чередующиеся кратные степеней \(2\) и \(5\). Пусть \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] Для каждого \(c\in C\) целое число \(2c\) является двузначным числом с нечётной цифрой десятков и чётной цифрой единиц. Следовательно, любое число, полученное приписыванием таких двузначных блоков друг к другу, является чередующимся.
Множество \(C\) содержит представителей всех классов вычетов по модулю \(4\), поскольку оно содержит \(5,6,7,8\). Оно также содержит представителей всех классов вычетов по модулю \(25\): пять указанных групп дают соответственно остатки \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
Зафиксируем \(q\in\{4,25\}\). Утверждается, что для каждого \(k\ge0\) можно выбрать \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) так, что \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{удовлетворяет условию}\qquad q^k\mid S_k. \] Для \(k=0\) возьмём \(S_0=0\). Предположим, что \(S_k=q^ku\) уже построено. Тогда \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(100/q,q)=1\), а \(C\) содержит представителей всех классов вычетов по модулю \(q\), можно выбрать \(c_k\in C\) так, чтобы выражение в скобках делилось на \(q\). Это доказывает утверждение по индукции.
При \(k\ge1\) число \(2S_k\) получается в точности приписыванием друг к другу блоков \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] поскольку каждый блок лежит между \(10\) и \(98\), так что переносов между блоками нет. Следовательно, это число чередующееся, имеет \(2k\) цифр, начинается с нечётной цифры и оканчивается чётной. Выбирая соответственно \(q=4\) и \(q=25\), получаем такие числа, делящиеся на \[ 2^{2k+1} \qquad\text{и}\qquad 2\cdot5^{2k}. \]
Теперь пусть \(20\nmid n\), и запишем \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \operatorname{НОД}(m,10)=1. \] Если \(b=0\), выберем \(k\ge1\) так, чтобы \(2k+1\ge a\), и воспользуемся построением для \(q=4\). Если \(b>0\), то из условия \(20\nmid n\) следует \(a\le1\); выберем \(k\ge1\) так, чтобы \(2k\ge b\), и воспользуемся построением для \(q=25\).
В обоих случаях получаем чередующееся число \(A\) с чётным числом цифр \(L\), начинающееся с нечётной цифры и оканчивающееся чётной, для которого \[ 2^a5^b\mid A. \]
Положим \(B=10^L\) и определим \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] Среди \(R_0,R_1,\ldots,R_m\) найдутся два числа с одинаковыми остатками по модулю \(m\). Поэтому для некоторых \(0\le i<j\le m\) \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(B,m)=1\), отсюда следует \(m\mid R_{j-i}\).
Наконец, десятичная запись \(AR_{j-i}\) получается приписыванием друг к другу \(j-i\) копий записи числа \(A\). Это число чередующееся, в том числе на каждом стыке, поскольку каждая копия оканчивается чётной цифрой, а следующая начинается с нечётной. Кроме того, \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] Таким образом, каждое положительное целое число, не делящееся на \(20\), имеет чередующееся кратное.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2004 · المسألة 6
نسمي عددًا صحيحًا موجبًا متناوبًا إذا كان كل رقمين متتاليين في تمثيله العشري مختلفين في الزوجية.
أوجد جميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\) التي لها مضاعف متناوب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{\text{جميع الأعداد الصحيحة الموجبة }n\text{ التي تحقق }20\nmid n.} \]
الحل
إذا كان \(20\mid n\)، فإن كل مضاعف لـ \(n\) ينتهي بـ \(00,20,40,60\)، أو \(80\). ورقماه الأخيران كلاهما زوجي، فلا يمكن أن يكون متناوبًا. نثبت أن هذا هو العائق الوحيد.
ننشئ أولًا مضاعفات متناوبة مناسبة لقوى \(2\) و\(5\). لتكن \[ C=\{5,6,7,8,9,\ 15,16,17,18,19,\ 25,26,27,28,29,\ 35,36,37,38,39,\ 45,46,47,48,49\}. \] لكل \(c\in C\)، يكون العدد الصحيح \(2c\) عددًا من رقمين، رقم عشراته فردي ورقم آحاده زوجي. وبالتالي، فإن أي وصل لهذه الكتل ذات الرقمين يعطي عددًا متناوبًا.
تحتوي المجموعة \(C\) على ممثلين لكل فئات البواقي بترديد \(4\)، لأنها تحتوي على \(5,6,7,8\). كما تحتوي على ممثل لكل فئة بواقٍ بترديد \(25\): فبواقي مجموعاتها الخمس المعروضة هي، على الترتيب، \[ 5,\ldots,9;\quad15,\ldots,19;\quad0,\ldots,4;\quad 10,\ldots,14;\quad20,\ldots,24. \]
ثبّت \(q\in\{4,25\}\). ندّعي أنه لكل \(k\ge0\)، يمكننا اختيار \(c_0,\ldots,c_{k-1}\in C\) بحيث \[ S_k=\sum_{i=0}^{k-1}c_i100^i \qquad\text{يحقق}\qquad q^k\mid S_k. \] عندما \(k=0\)، نأخذ \(S_0=0\). افترض أنه قد أُنشئ \(S_k=q^ku\). عندئذ \[ S_{k+1}=S_k+c_k100^k =q^k\left(u+c_k(100/q)^k\right). \] بما أن \(\gcd(100/q,q)=1\)، وأن \(C\) تحتوي على ممثل لكل فئة بواقٍ بترديد \(q\)، يمكننا اختيار \(c_k\in C\) بحيث يقبل المقدار بين القوسين القسمة على \(q\). وهذا يثبت الادعاء بالاستقراء.
عندما \(k\ge1\)، يكون العدد \(2S_k\) هو بالضبط العدد الناتج عن وصل الكتل \[ 2c_{k-1},\,2c_{k-2},\,\ldots,\,2c_0, \] لأن كل كتلة تقع بين \(10\) و\(98\)، فلا يحدث حمل بين الكتل. ومن ثم فهو متناوب، وله \(2k\) رقمًا، ويبدأ برقم فردي وينتهي برقم زوجي. وبأخذ \(q=4\) و\(q=25\)، على الترتيب، نحصل على أعداد بهذه الصفات تقبل القسمة على \[ 2^{2k+1} \qquad\text{و}\qquad 2\cdot5^{2k}. \]
ليكن الآن \(20\nmid n\)، ولنكتب \[ n=2^a5^b m,\qquad a,b\ge0,\qquad \gcd(m,10)=1. \] إذا كان \(b=0\)، نختار \(k\ge1\) بحيث \(2k+1\ge a\) ونستخدم الإنشاء الخاص بـ \(q=4\). وإذا كان \(b>0\)، فإن الشرط \(20\nmid n\) يستلزم \(a\le1\)؛ نختار \(k\ge1\) بحيث \(2k\ge b\) ونستخدم الإنشاء الخاص بـ \(q=25\).
في كلتا الحالتين، نحصل على عدد متناوب \(A\) عدد أرقامه \(L\) زوجي، يبدأ برقم فردي وينتهي برقم زوجي، بحيث \[ 2^a5^b\mid A. \]
نضع \(B=10^L\)، ونعرّف \[ R_0=0,\qquad R_j=1+B+\cdots+B^{j-1}\quad(j\ge1). \] من بين \(R_0,R_1,\ldots,R_m\)، يوجد عددان لهما الباقي نفسه بترديد \(m\). لذلك، لبعض \(0\le i<j\le m\)، \[ m\mid R_j-R_i=B^iR_{j-i}. \] وبما أن \(\gcd(B,m)=1\)، ينتج أن \(m\mid R_{j-i}\).
أخيرًا، \(AR_{j-i}\) هو العدد الناتج عن وصل \(j-i\) نسخ من التمثيل العشري لـ \(A\). وهو متناوب، بما في ذلك عند كل موضع وصل، لأن كل نسخة تنتهي برقم زوجي وتبدأ النسخة التالية برقم فردي. علاوة على ذلك، \[ 2^a5^b m=n\mid AR_{j-i}. \] إذن لكل عدد صحيح موجب غير قابل للقسمة على \(20\) مضاعف متناوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.