IMO 2005 · Problem 6
In a mathematical competition, in which 6 problems were posed to the participants, every two of these problems were solved by more than \(\frac{2}{5}\) of the contestants. Moreover, no contestant solved all the 6 problems. Show that there are at least 2 contestants who solved exactly 5 problems each.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(N\) be the number of contestants. For distinct problems \(i,j\), let \(a_{ij}=a_{ji}\) be the number of contestants who solved both, and put \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] The hypothesis gives \(5m>2N\). Since these quantities are integers, \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{so}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
A contestant who solved \(r\) problems contributes \(\binom r2\) to \(T\).
Suppose, for a contradiction, that at most one contestant solved exactly five problems. If there were none, every contestant would have solved at most four, giving \(T\le 6N\), contrary to (1). Thus there is exactly one such contestant, whom we call \(A\).
Every other contestant solved at most four problems. If any of them solved at most three, then \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] again contradicting (1). Consequently, every contestant other than \(A\) solved exactly four problems, and \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] Together with (1), this yields \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] As \(15m\) is divisible by \(3\), necessarily \(15m=6N+3\). Hence \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] All summands are nonnegative integers. Therefore exactly one pair of problems has \(a_{ij}=m+1\), and all other pairs have \(a_{ij}=m\). Call this pair the exceptional pair.
For each problem \(i\), define \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] If \(A\) solved problem \(i\), then \(A\) contributes \(4\) to \(D_i\). Each other contestant who solved \(i\) contributes \(3\), because that contestant solved exactly four problems. Thus, for every problem \(i\) solved by \(A\), \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
Since \(A\) solved five of the six problems, at least one problem \(u\) in the exceptional pair was solved by \(A\). There is also a problem \(v\) solved by \(A\) outside that pair. By the description of the pair counts, \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] Their difference is \(1\), contradicting (2), which says that their difference is divisible by \(3\).
Therefore at least two contestants solved exactly five problems each. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2005 · Aufgabe 6
Bei einem mathematischen Wettbewerb, bei dem den Teilnehmern 6 Aufgaben gestellt wurden, wurden je zwei dieser Aufgaben von mehr als \(\frac{2}{5}\) der Teilnehmer beide gelöst. Außerdem löste kein Teilnehmer alle 6 Aufgaben. Zeige, dass es mindestens 2 Teilnehmer gibt, die jeweils genau 5 Aufgaben lösten.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(N\) die Anzahl der Teilnehmer. Für verschiedene Aufgaben \(i,j\) sei \(a_{ij}=a_{ji}\) die Anzahl der Teilnehmer, die beide lösten, und wir setzen \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] Aus der Voraussetzung folgt \(5m>2N\). Da diese Größen ganze Zahlen sind, gilt \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{also}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
Ein Teilnehmer, der \(r\) Aufgaben löste, trägt \(\binom r2\) zu \(T\) bei.
Wir nehmen zum Widerspruch an, dass höchstens ein Teilnehmer genau fünf Aufgaben löste. Gäbe es keinen solchen Teilnehmer, so hätte jeder Teilnehmer höchstens vier Aufgaben gelöst, woraus \(T\le 6N\) folgte, im Widerspruch zu (1). Es gibt also genau einen solchen Teilnehmer, den wir mit \(A\) bezeichnen.
Jeder andere Teilnehmer löste höchstens vier Aufgaben. Falls einer von ihnen höchstens drei Aufgaben gelöst hätte, so wäre \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] erneut im Widerspruch zu (1). Folglich löste jeder Teilnehmer außer \(A\) genau vier Aufgaben, und es gilt \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] Zusammen mit (1) ergibt dies \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] Da \(15m\) durch \(3\) teilbar ist, gilt notwendigerweise \(15m=6N+3\). Daher gilt \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] Alle Summanden sind nichtnegative ganze Zahlen. Daher gilt für genau ein Aufgabenpaar \(a_{ij}=m+1\), und für alle anderen Paare gilt \(a_{ij}=m\). Wir nennen dieses Paar das Ausnahmepaar.
Für jede Aufgabe \(i\) definieren wir \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] Hat \(A\) die Aufgabe \(i\) gelöst, so trägt \(A\) den Wert \(4\) zu \(D_i\) bei. Jeder andere Teilnehmer, der \(i\) gelöst hat, trägt den Wert \(3\) bei, da er genau vier Aufgaben gelöst hat. Somit gilt für jede von \(A\) gelöste Aufgabe \(i\) \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
Da \(A\) fünf der sechs Aufgaben gelöst hat, hat \(A\) mindestens eine Aufgabe \(u\) des Ausnahmepaars gelöst. Außerdem gibt es eine von \(A\) gelöste Aufgabe \(v\) außerhalb dieses Paars. Nach der Beschreibung der Anzahlen für die Aufgabenpaare gilt \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] Ihre Differenz ist \(1\), im Widerspruch zu (2), wonach ihre Differenz durch \(3\) teilbar ist.
Also haben mindestens zwei Teilnehmer jeweils genau fünf Aufgaben gelöst. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2005 · Soru 6
Katılımcılara 6 sorunun sorulduğu bir matematik yarışmasında, bu sorulardan herhangi ikisini birlikte çözenlerin sayısı, yarışmacıların \(\frac{2}{5}\)'inden fazladır. Ayrıca hiçbir yarışmacı 6 sorunun tamamını çözmemiştir. Her biri tam olarak 5 soru çözmüş en az 2 yarışmacı olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Yarışmacı sayısı \(N\) olsun. Birbirinden farklı \(i,j\) soruları için her iki soruyu da çözen yarışmacı sayısı \(a_{ij}=a_{ji}\) olsun ve \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij} \] olarak tanımlayalım. Varsayım gereğince \(5m>2N\) olur. Bu nicelikler tam sayı olduğundan, \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
\(r\) soru çözen bir yarışmacının \(T\)'ye katkısı \(\binom r2\) olur.
Çelişki elde etmek üzere, tam olarak beş soru çözen en fazla bir yarışmacı olduğunu varsayalım. Böyle bir yarışmacı hiç olmasaydı, her yarışmacı en fazla dört soru çözmüş olurdu ve \(T\le 6N\) elde edilirdi; bu da (1) ile çelişir. Dolayısıyla böyle tam bir yarışmacı vardır; bu yarışmacıya \(A\) diyelim.
Diğer her yarışmacı en fazla dört soru çözmüştür. Bunlardan herhangi biri en fazla üç soru çözmüş olsaydı, \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] olurdu; bu da yine (1) ile çelişir. Dolayısıyla \(A\) dışındaki her yarışmacı tam olarak dört soru çözmüştür ve \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] Bu eşitlik (1) ile birlikte \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4 \] sonucunu verir. \(15m\), \(3\) ile bölünebildiğinden, zorunlu olarak \(15m=6N+3\) olur. Dolayısıyla \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] Bütün toplananlar negatif olmayan tam sayılardır. Bu nedenle tam bir soru çifti için \(a_{ij}=m+1\), diğer bütün çiftler için ise \(a_{ij}=m\) olur. Bu çifte istisnai çift diyelim.
Her \(i\) sorusu için \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij} \] olarak tanımlayalım. \(A\), \(i\) sorusunu çözmüşse, \(A\)'nın \(D_i\)'ye katkısı \(4\) olur. \(i\)'yi çözen diğer her yarışmacının katkısı \(3\) olur; çünkü bu yarışmacı tam olarak dört soru çözmüştür. Böylece \(A\)'nın çözdüğü her \(i\) sorusu için \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
\(A\), altı sorunun beşini çözdüğünden, istisnai çiftteki en az bir \(u\) sorusu \(A\) tarafından çözülmüştür. Ayrıca bu çiftin dışında \(A\)'nın çözdüğü bir \(v\) sorusu da vardır. Soru çiftlerini çözen yarışmacı sayılarına ilişkin belirlememize göre, \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] Aralarındaki fark \(1\)'dir; bu ise farklarının \(3\) ile bölünebildiğini söyleyen (2) ile çelişir.
Dolayısıyla her biri tam olarak beş soru çözmüş en az iki yarışmacı vardır. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2005 · Problema 6
En una competición matemática, en la que se propusieron 6 problemas a los participantes, cada par de problemas fue resuelto por más de \(\frac{2}{5}\) de los concursantes. Además, ningún concursante resolvió los 6 problemas. Demostrar que hay al menos 2 concursantes que resolvieron exactamente 5 problemas cada uno.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(N\) el número de concursantes. Para problemas distintos \(i,j\), sea \(a_{ij}=a_{ji}\) el número de concursantes que resolvieron ambos, y sean \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] La hipótesis implica que \(5m>2N\). Como estas cantidades son enteras, \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{por tanto}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
Un concursante que resolvió \(r\) problemas aporta \(\binom r2\) a \(T\).
Supongamos, para llegar a una contradicción, que a lo sumo un concursante resolvió exactamente cinco problemas. Si no hubiera ninguno, cada concursante habría resuelto a lo sumo cuatro, lo que daría \(T\le 6N\), en contradicción con (1). Por tanto, hay exactamente un concursante de ese tipo, al que llamamos \(A\).
Todos los demás concursantes resolvieron a lo sumo cuatro problemas. Si alguno de ellos hubiera resuelto a lo sumo tres, entonces \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] lo que contradice de nuevo (1). En consecuencia, todos los concursantes distintos de \(A\) resolvieron exactamente cuatro problemas, y \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] Junto con (1), esto da \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] Como \(15m\) es divisible entre \(3\), necesariamente \(15m=6N+3\). Por tanto, \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] Todos los sumandos son enteros no negativos. Por consiguiente, exactamente un par de problemas satisface \(a_{ij}=m+1\), y todos los demás pares satisfacen \(a_{ij}=m\). Llamamos a este par el par excepcional.
Para cada problema \(i\), definimos \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] Si \(A\) resolvió el problema \(i\), entonces \(A\) aporta \(4\) a \(D_i\). Cada uno de los demás concursantes que resolvió \(i\) aporta \(3\), porque ese concursante resolvió exactamente cuatro problemas. Así, para cada problema \(i\) resuelto por \(A\), \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
Como \(A\) resolvió cinco de los seis problemas, al menos un problema \(u\) del par excepcional fue resuelto por \(A\). También hay un problema \(v\) resuelto por \(A\) que no pertenece a ese par. Por la descripción del número de concursantes que resolvieron cada par, \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] Su diferencia es \(1\), lo que contradice (2), que afirma que su diferencia es divisible entre \(3\).
Por tanto, al menos dos concursantes resolvieron exactamente cinco problemas cada uno. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2005 · 问题 6
在一次数学竞赛中,参赛者需要解答 6 道题,其中任意两道题都被超过 \(\frac{2}{5}\) 的参赛者同时解出。此外,没有参赛者解出全部 6 道题。证明:至少有 2 名参赛者各自恰好解出 5 道题。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设参赛人数为 \(N\)。对于不同的题目 \(i,j\),设 \(a_{ij}=a_{ji}\) 为同时解出这两道题的参赛人数,并令 \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] 由题设,\(5m>2N\)。由于这些量均为整数, \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{所以}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
一名解出 \(r\) 道题的参赛者对 \(T\) 的贡献为 \(\binom r2\)。
用反证法,假设至多有一名参赛者恰好解出五道题。如果没有这样的参赛者,则每名参赛者至多解出四道题,从而 \(T\le 6N\),与 (1) 矛盾。因此,恰有一名这样的参赛者,记为 \(A\)。
其余每名参赛者至多解出四道题。如果他们中有人至多解出三道题,则 \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] 再次与 (1) 矛盾。因此,除 \(A\) 之外的每名参赛者都恰好解出四道题,且 \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] 结合 (1),得到 \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] 由于 \(15m\) 能被 \(3\) 整除,必有 \(15m=6N+3\)。因此 \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] 所有加数均为非负整数。因此,恰有一对题目满足 \(a_{ij}=m+1\),其余各对题目均满足 \(a_{ij}=m\)。称这对题目为特殊题目对。
对于每道题 \(i\),定义 \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] 如果 \(A\) 解出了题目 \(i\),则 \(A\) 对 \(D_i\) 的贡献为 \(4\)。其他每名解出 \(i\) 的参赛者的贡献为 \(3\),因为该参赛者恰好解出了四道题。因此,对于 \(A\) 解出的每道题 \(i\),都有 \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
由于 \(A\) 解出了六道题中的五道,特殊题目对中至少有一道题 \(u\) 被 \(A\) 解出。此外,在该题目对之外,也有一道题 \(v\) 被 \(A\) 解出。根据上述各对题目对应人数的情况, \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] 二者之差为 \(1\),这与 (2) 所表明的二者之差能被 \(3\) 整除矛盾。
因此,至少有两名参赛者各自恰好解出五道题。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2005 · Задача 6
На математической олимпиаде участникам было предложено 6 задач, причём для любых двух из этих задач более \(\frac{2}{5}\) всех участников решили обе задачи. Кроме того, ни один участник не решил все 6 задач. Докажите, что найдутся по крайней мере 2 участника, каждый из которых решил ровно 5 задач.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(N\) — число участников. Для различных задач \(i,j\) обозначим через \(a_{ij}=a_{ji}\) число участников, решивших обе задачи, и положим \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] По условию \(5m>2N\). Поскольку эти величины целые, \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{поэтому}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
Участник, решивший \(r\) задач, вносит в \(T\) вклад \(\binom r2\).
Предположим, вопреки требуемому, что ровно пять задач решил не более чем один участник. Если бы таких участников не было, каждый участник решил бы не более четырёх задач, откуда \(T\le 6N\), что противоречит (1). Значит, такой участник ровно один; обозначим его через \(A\).
Каждый из остальных участников решил не более четырёх задач. Если кто-либо из них решил не более трёх, то \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] что снова противоречит (1). Следовательно, каждый участник, кроме \(A\), решил ровно четыре задачи, и \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] Вместе с (1) это даёт \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] Поскольку \(15m\) делится на \(3\), обязательно \(15m=6N+3\). Поэтому \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] Все слагаемые — неотрицательные целые числа. Следовательно, ровно для одной пары задач имеем \(a_{ij}=m+1\), а для всех остальных пар \(a_{ij}=m\). Назовём эту пару исключительной.
Для каждой задачи \(i\) определим \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] Если \(A\) решил задачу \(i\), то его вклад в \(D_i\) равен \(4\). Каждый другой участник, решивший \(i\), вносит вклад \(3\), поскольку он решил ровно четыре задачи. Таким образом, для каждой задачи \(i\), решённой участником \(A\), \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
Поскольку \(A\) решил пять из шести задач, по крайней мере одна задача \(u\) из исключительной пары решена участником \(A\). Найдётся также решённая участником \(A\) задача \(v\), не входящая в эту пару. Согласно полученному описанию чисел участников, решивших пары задач, \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] Их разность равна \(1\), что противоречит (2), согласно которому эта разность делится на \(3\).
Следовательно, по крайней мере два участника решили ровно по пять задач. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2005 · المسألة 6
في مسابقة رياضية طُرحت فيها 6 مسائل على المشاركين، حلّ كل مسألتين من هذه المسائل أكثر من \(\frac{2}{5}\) المتسابقين. فضلًا عن ذلك، لم يحلّ أي متسابق المسائل الست جميعها. أثبت وجود متسابقين اثنين على الأقل حلّ كل منهما 5 مسائل بالضبط.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(N\) عدد المتسابقين. لكل مسألتين مختلفتين \(i,j\)، ليكن \(a_{ij}=a_{ji}\) عدد المتسابقين الذين حلّوهما معًا، ولنضع \[ m=\min_{i<j}a_{ij},\qquad T=\sum_{i<j}a_{ij}. \] يعطينا الفرض \(5m>2N\). وبما أن هذه الكميات أعداد صحيحة، فإن \[ 5m\ge 2N+1, \qquad\text{ومن ثم}\qquad T\ge 15m\ge 6N+3. \tag{1} \]
يساهم المتسابق الذي حلّ \(r\) مسائل بمقدار \(\binom r2\) في \(T\).
نفترض، للوصول إلى تناقض، أن عدد المتسابقين الذين حلّوا خمس مسائل بالضبط لا يتجاوز واحدًا. إذا لم يوجد أي منهم، لكان كل متسابق قد حلّ أربع مسائل على الأكثر، مما يعطي \(T\le 6N\)، خلافًا لـ (1). إذن يوجد متسابق واحد بالضبط من هذا النوع، نسميه \(A\).
كل متسابق آخر حلّ أربع مسائل على الأكثر. وإذا كان أي منهم قد حلّ ثلاث مسائل على الأكثر، فإن \[ T\le \binom52+\binom32+(N-2)\binom42 =10+3+6(N-2)=6N+1, \] وهذا يناقض (1) أيضًا. وبالتالي، فإن كل متسابق غير \(A\) حلّ أربع مسائل بالضبط، ولدينا \[ T=10+6(N-1)=6N+4. \] وبضم هذا إلى (1)، نحصل على \[ 6N+3\le 15m\le 6N+4. \] وبما أن \(15m\) يقبل القسمة على \(3\)، فلا بد أن \(15m=6N+3\). ومن ثم \[ \sum_{i<j}(a_{ij}-m)=T-15m=1. \] جميع الحدود في هذا المجموع أعداد صحيحة غير سالبة. لذلك يوجد زوج واحد بالضبط من المسائل يحقق \(a_{ij}=m+1\)، وتحقق جميع الأزواج الأخرى \(a_{ij}=m\). نسمي هذا الزوج الزوج الاستثنائي.
لكل مسألة \(i\)، نعرّف \[ D_i=\sum_{j\ne i}a_{ij}. \] إذا كان \(A\) قد حلّ المسألة \(i\)، فإنه يساهم بمقدار \(4\) في \(D_i\). ويساهم كل متسابق آخر حلّ \(i\) بمقدار \(3\)، لأنه حلّ أربع مسائل بالضبط. وهكذا، لكل مسألة \(i\) حلّها \(A\)، \[ D_i\equiv 1\pmod 3. \tag{2} \]
بما أن \(A\) حلّ خمسًا من المسائل الست، فلا بد أنه حلّ مسألة واحدة على الأقل \(u\) من الزوج الاستثنائي. وتوجد أيضًا مسألة \(v\) حلّها \(A\) خارج هذا الزوج. وبحسب وصف أعداد المتسابقين الذين حلّوا كل زوج من المسائل، \[ D_u=5m+1,\qquad D_v=5m. \] الفرق بينهما هو \(1\)، وهذا يناقض (2)، التي تقضي بأن الفرق بينهما يقبل القسمة على \(3\).
إذن يوجد متسابقان اثنان على الأقل حلّ كل منهما خمس مسائل بالضبط. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.