IMO 2005 · Problem 2
Let \(a_1,a_2,\ldots\) be a sequence of integers with infinitely many positive and negative terms. Suppose that for every positive integer \(n\) the numbers \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) leave \(n\) different remainders upon division by \(n\). Prove that every integer occurs exactly once in the sequence \(a_1,a_2,\ldots\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For any indices \(i<j\), we have \(a_i\ne a_j\), because the first \(j\) terms have different remainders modulo \(j\). Moreover, \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] Indeed, if \(d=|a_i-a_j|\ge j\), then \(a_i\) and \(a_j\) are among the first \(d\) terms and have the same remainder modulo \(d\), a contradiction.
We prove by induction that the first \(n\) terms form a set of \(n\) consecutive integers. This is immediate for \(n=1\). Suppose \(n\ge2\) and \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] Applying (1) to \(a_n\) and the earlier occurrences of \(L\) and \(R\), we obtain \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] Consequently, \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] Since \(a_n\) differs from all earlier terms, it cannot lie in \(\{L,\ldots,R\}\). Thus \(a_n=L-1\) or \(a_n=R+1\), completing the induction.
All terms are distinct, so infinitely many positive terms imply that the sequence is unbounded above. Likewise, infinitely many negative terms imply that it is unbounded below.
Now let \(t\) be any integer. Choose indices \(p,q\) such that \[ a_p<t<a_q, \] and set \(N=\max\{p,q\}\). The first \(N\) terms form a set of consecutive integers containing both \(a_p\) and \(a_q\), so they also contain \(t\). Therefore every integer occurs, and the previously established distinctness shows that it occurs exactly once. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2005 · Aufgabe 2
Sei \(a_1,a_2,\ldots\) eine Folge ganzer Zahlen mit unendlich vielen positiven und unendlich vielen negativen Gliedern. Für jede positive ganze Zahl \(n\) mögen die Zahlen \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) bei Division durch \(n\) genau \(n\) verschiedene Reste lassen. Beweise, dass jede ganze Zahl genau einmal in der Folge \(a_1,a_2,\ldots\) vorkommt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für beliebige Indizes \(i<j\) gilt \(a_i\ne a_j\), da die ersten \(j\) Glieder verschiedene Reste modulo \(j\) haben. Außerdem gilt \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] Wäre nämlich \(d=|a_i-a_j|\ge j\), so gehörten \(a_i\) und \(a_j\) zu den ersten \(d\) Gliedern und hätten denselben Rest modulo \(d\), ein Widerspruch.
Wir beweisen durch vollständige Induktion, dass die ersten \(n\) Glieder eine Menge von \(n\) aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen bilden. Für \(n=1\) ist dies unmittelbar klar. Sei nun \(n\ge2\), und es gelte \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] Wenden wir (1) auf \(a_n\) und die früheren Vorkommen von \(L\) und \(R\) an, so erhalten wir \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] Folglich gilt \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] Da sich \(a_n\) von allen früheren Gliedern unterscheidet, kann es nicht in \(\{L,\ldots,R\}\) liegen. Also ist \(a_n=L-1\) oder \(a_n=R+1\), womit die Induktion abgeschlossen ist.
Alle Glieder sind verschieden, sodass aus der Existenz unendlich vieler positiver Glieder folgt, dass die Folge nach oben unbeschränkt ist. Ebenso folgt aus der Existenz unendlich vieler negativer Glieder, dass sie nach unten unbeschränkt ist.
Sei nun \(t\) eine beliebige ganze Zahl. Wir wählen Indizes \(p,q\) mit \[ a_p<t<a_q, \] und setzen \(N=\max\{p,q\}\). Die ersten \(N\) Glieder bilden eine Menge aufeinanderfolgender ganzer Zahlen, die sowohl \(a_p\) als auch \(a_q\) enthält, also enthält sie auch \(t\). Daher kommt jede ganze Zahl vor, und aus der bereits bewiesenen Verschiedenheit der Glieder folgt, dass sie genau einmal vorkommt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2005 · Soru 2
\(a_1,a_2,\ldots\), sonsuz sayıda pozitif ve sonsuz sayıda negatif terimi olan bir tam sayı dizisi olsun. Her pozitif \(n\) tam sayısı için \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) sayılarının \(n\) ile bölümünden \(n\) farklı kalan elde edildiğini varsayalım. Her tam sayının \(a_1,a_2,\ldots\) dizisinde tam bir kez yer aldığını kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Herhangi \(i<j\) indisleri için \(a_i\ne a_j\) olur; çünkü ilk \(j\) terimin \(j\) modundaki kalanları farklıdır. Ayrıca, \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] Gerçekten, \(d=|a_i-a_j|\ge j\) olsaydı, \(a_i\) ve \(a_j\) ilk \(d\) terim arasında yer alır ve \(d\) modunda aynı kalanı verirlerdi; bu ise bir çelişkidir.
İlk \(n\) terimin, ardışık \(n\) tam sayıdan oluşan bir küme oluşturduğunu tümevarımla kanıtlayacağız. Bu, \(n=1\) için açıktır. \(n\ge2\) olduğunu ve \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2 \] eşitliklerinin sağlandığını varsayalım. (1)'i \(a_n\) ile daha önceki terimler arasında bulunan \(L\) ve \(R\)'ye uygulayarak \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1 \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] \(a_n\), önceki bütün terimlerden farklı olduğundan \(\{L,\ldots,R\}\) kümesinde bulunamaz. O hâlde \(a_n=L-1\) veya \(a_n=R+1\) olur ve tümevarım tamamlanır.
Bütün terimler farklı olduğundan, sonsuz sayıda pozitif terim bulunması dizinin üstten sınırsız olduğunu gösterir. Benzer biçimde, sonsuz sayıda negatif terim bulunması dizinin alttan sınırsız olduğunu gösterir.
Şimdi \(t\) herhangi bir tam sayı olsun. \[ a_p<t<a_q, \] olacak biçimde \(p,q\) indislerini seçelim ve \(N=\max\{p,q\}\) olarak tanımlayalım. İlk \(N\) terim, hem \(a_p\) hem de \(a_q\)'yu içeren ardışık tam sayılardan oluşan bir küme oluşturduğundan, \(t\)'yi de içerir. Dolayısıyla her tam sayı dizide yer alır ve daha önce kanıtlanan farklılık özelliği, her birinin tam bir kez yer aldığını gösterir. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2005 · Problema 2
Sea \(a_1,a_2,\ldots\) una sucesión de números enteros con infinitos términos positivos e infinitos términos negativos. Supongamos que, para todo entero positivo \(n\), los números \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) dejan \(n\) restos distintos al dividirlos entre \(n\). Demostrar que todo número entero aparece exactamente una vez en la sucesión \(a_1,a_2,\ldots\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para cualesquiera índices \(i<j\), se tiene \(a_i\ne a_j\), porque los primeros \(j\) términos tienen restos distintos módulo \(j\). Además, \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] En efecto, si \(d=|a_i-a_j|\ge j\), entonces \(a_i\) y \(a_j\) están entre los primeros \(d\) términos y tienen el mismo resto módulo \(d\), lo que es una contradicción.
Demostramos por inducción que los primeros \(n\) términos forman un conjunto de \(n\) enteros consecutivos. Esto es inmediato para \(n=1\). Supongamos que \(n\ge2\) y \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] Aplicando (1) a \(a_n\) y a los términos anteriores en los que aparecen \(L\) y \(R\), obtenemos \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] Por consiguiente, \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] Como \(a_n\) es distinto de todos los términos anteriores, no puede pertenecer a \(\{L,\ldots,R\}\). Así pues, \(a_n=L-1\) o \(a_n=R+1\), lo que completa la inducción.
Todos los términos son distintos, de modo que la existencia de infinitos términos positivos implica que la sucesión no está acotada superiormente. Del mismo modo, la existencia de infinitos términos negativos implica que no está acotada inferiormente.
Sea ahora \(t\) un entero cualquiera. Elegimos índices \(p,q\) tales que \[ a_p<t<a_q, \] y tomamos \(N=\max\{p,q\}\). Los primeros \(N\) términos forman un conjunto de enteros consecutivos que contiene tanto a \(a_p\) como a \(a_q\), por lo que también contiene a \(t\). Por tanto, todo entero aparece, y el hecho ya demostrado de que todos los términos son distintos muestra que aparece exactamente una vez. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2005 · 问题 2
设 \(a_1,a_2,\ldots\) 是一个整数数列,其中有无穷多个正项和无穷多个负项。假设对每个正整数 \(n\),数 \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) 除以 \(n\) 所得的余数两两不同。证明:每个整数都在数列 \(a_1,a_2,\ldots\) 中恰好出现一次。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
对任意下标 \(i<j\),都有 \(a_i\ne a_j\),因为前 \(j\) 项模 \(j\) 的余数两两不同。此外, \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] 事实上,若 \(d=|a_i-a_j|\ge j\),则 \(a_i\) 和 \(a_j\) 都在前 \(d\) 项之中,且模 \(d\) 的余数相同,矛盾。
我们用数学归纳法证明,前 \(n\) 项构成由 \(n\) 个连续整数组成的集合。当 \(n=1\) 时,结论显然成立。设 \(n\ge2\),且 \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] 将 (1) 分别用于 \(a_n\) 与前面出现的 \(L\)、\(R\),得到 \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] 因此, \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] 由于 \(a_n\) 与所有先前的项都不同,它不可能属于 \(\{L,\ldots,R\}\)。因此 \(a_n=L-1\) 或 \(a_n=R+1\),归纳完成。
所有项互不相同,所以有无穷多个正项意味着该数列无上界。同理,有无穷多个负项意味着该数列无下界。
现在任取整数 \(t\)。选取下标 \(p,q\),使得 \[ a_p<t<a_q, \] 并令 \(N=\max\{p,q\}\)。前 \(N\) 项构成一个连续整数集合,其中既包含 \(a_p\),也包含 \(a_q\),所以也包含 \(t\)。因此,每个整数都会出现,而此前证明的各项互异性表明,每个整数恰好出现一次。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2005 · Задача 2
Пусть \(a_1,a_2,\ldots\) — последовательность целых чисел, содержащая бесконечно много положительных и бесконечно много отрицательных членов. Предположим, что для каждого положительного целого числа \(n\) числа \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) дают \(n\) различных остатков при делении на \(n\). Докажите, что каждое целое число встречается в последовательности \(a_1,a_2,\ldots\) ровно один раз.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Для любых индексов \(i<j\) имеем \(a_i\ne a_j\), поскольку первые \(j\) членов имеют различные остатки по модулю \(j\). Более того, \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] Действительно, если \(d=|a_i-a_j|\ge j\), то \(a_i\) и \(a_j\) входят в число первых \(d\) членов и имеют одинаковый остаток по модулю \(d\), что приводит к противоречию.
Докажем по индукции, что первые \(n\) членов образуют множество из \(n\) последовательных целых чисел. При \(n=1\) это очевидно. Пусть \(n\ge2\) и \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] Применяя (1) к \(a_n\) и предшествующим членам, равным \(L\) и \(R\), получаем \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] Следовательно, \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] Поскольку \(a_n\) отличается от всех предшествующих членов, оно не может принадлежать \(\{L,\ldots,R\}\). Значит, \(a_n=L-1\) или \(a_n=R+1\), что завершает индукционный переход.
Все члены различны, поэтому из наличия бесконечно многих положительных членов следует, что последовательность не ограничена сверху. Аналогично, из наличия бесконечно многих отрицательных членов следует, что она не ограничена снизу.
Теперь пусть \(t\) — произвольное целое число. Выберем индексы \(p,q\) так, чтобы \[ a_p<t<a_q, \] и положим \(N=\max\{p,q\}\). Первые \(N\) членов образуют множество последовательных целых чисел, содержащее как \(a_p\), так и \(a_q\), поэтому оно содержит и \(t\). Следовательно, каждое целое число встречается в последовательности, а доказанная ранее попарная различность членов показывает, что оно встречается ровно один раз. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2005 · المسألة 2
لتكن \(a_1,a_2,\ldots\) متتالية من الأعداد الصحيحة تحتوي على عدد لا نهائي من الحدود الموجبة وعدد لا نهائي من الحدود السالبة. افترض أنه لكل عدد صحيح موجب \(n\)، تعطي الأعداد \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) عند قسمتها على \(n\) بواقي مختلفة عددها \(n\). أثبت أن كل عدد صحيح يظهر مرة واحدة بالضبط في المتتالية \(a_1,a_2,\ldots\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لكل دليلين \(i<j\)، لدينا \(a_i\ne a_j\)، لأن الحدود الأولى وعددها \(j\) تعطي بواقي مختلفة بترديد \(j\). وفضلًا عن ذلك، \[ |a_i-a_j|<j. \tag{1} \] فبالفعل، إذا كان \(d=|a_i-a_j|\ge j\)، فإن \(a_i\) و\(a_j\) يقعان ضمن الحدود الأولى وعددها \(d\)، ولهما الباقي نفسه بترديد \(d\)، وهذا تناقض.
نثبت بالاستقراء أن الحدود الأولى وعددها \(n\) تشكل مجموعة من \(n\) أعداد صحيحة متتالية. وهذا واضح عندما \(n=1\). افترض أن \(n\ge2\) وأن \[ \{a_1,\ldots,a_{n-1}\}=\{L,L+1,\ldots,R\}, \qquad R-L=n-2. \] بتطبيق (1) على \(a_n\) وعلى الحدين السابقين اللذين قيمتاهما \(L\) و\(R\)، نحصل على \[ |a_n-L|\le n-1,\qquad |a_n-R|\le n-1. \] وبالتالي، \[ L-1=R-(n-1)\le a_n\le L+(n-1)=R+1. \] وبما أن \(a_n\) يختلف عن جميع الحدود السابقة، فلا يمكن أن ينتمي إلى \(\{L,\ldots,R\}\). إذن \(a_n=L-1\) أو \(a_n=R+1\)، وبذلك يكتمل الاستقراء.
جميع الحدود متمايزة، ولذلك فإن وجود عدد لا نهائي من الحدود الموجبة يقتضي أن المتتالية غير محدودة من الأعلى. وبالمثل، فإن وجود عدد لا نهائي من الحدود السالبة يقتضي أنها غير محدودة من الأسفل.
والآن ليكن \(t\) أي عدد صحيح. نختار دليلين \(p,q\) بحيث \[ a_p<t<a_q, \] ونضع \(N=\max\{p,q\}\). تشكل الحدود الأولى وعددها \(N\) مجموعة من الأعداد الصحيحة المتتالية تحتوي على كل من \(a_p\) و\(a_q\)، ولذلك تحتوي أيضًا على \(t\). ومن ثم يظهر كل عدد صحيح، ويبين تمايز الحدود الذي أثبتناه سابقًا أنه يظهر مرة واحدة بالضبط. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.