IMO 2007 · Problem 1
Real numbers \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) are given. For each \(i\) \((1\le i\le n)\) define \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] and let \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\}. \]
(a) Prove that, for any real numbers \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\), \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge \frac d2. \tag{*} \]
(b) Show that there are real numbers \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) such that equality holds in \((*)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] Thus \(d_i=M_i-m_i\). Since \(m_i\le a_i\le M_i\), we have \(d_i\ge0\).
(a) Let \(x_1\le\cdots\le x_n\) be arbitrary, and put \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] For each \(i\), choose indices \(p\le i\) and \(q\ge i\) such that \(a_p=M_i\) and \(a_q=m_i\). These indices exist because the defining sets are finite and nonempty. As \(p\le q\), we have \(x_p\le x_q\), so \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] Taking the maximum over \(i\) gives \(d\le2E\), proving \((*)\).
(b) Define \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] Both sequences \((M_i)\) and \((m_i)\) are nondecreasing: enlarging a prefix cannot decrease its maximum, and removing an element from a suffix cannot decrease its minimum. Consequently, \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
Moreover, \(m_i\le a_i\le M_i\) implies \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] Hence \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] for every \(i\). Together with part (a), this yields \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] The argument also applies when \(d=0\), including \(n=1\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2007 · Aufgabe 1
Gegeben seien eine positive ganze Zahl \(n\) und reelle Zahlen \(a_1,a_2,\ldots,a_n\). Für jedes \(i\) \((1\le i\le n)\) sei \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] und sei \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\}. \]
(a) Man beweise für beliebige reelle Zahlen \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\): \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge\frac d2. \tag{*} \]
(b) Man beweise, dass es reelle Zahlen \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\) gibt, die Gleichheit in \((*)\) liefern.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] Somit ist \(d_i=M_i-m_i\). Wegen \(m_i\le a_i\le M_i\) gilt \(d_i\ge0\).
(a) Es seien \(x_1\le\cdots\le x_n\) beliebig, und wir setzen \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] Für jedes \(i\) wählen wir Indizes \(p\le i\) und \(q\ge i\) mit \(a_p=M_i\) und \(a_q=m_i\). Diese Indizes existieren, da die Mengen in den Definitionen endlich und nicht leer sind. Wegen \(p\le q\) gilt \(x_p\le x_q\), also \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] Indem wir das Maximum über \(i\) nehmen, erhalten wir \(d\le2E\), womit \((*)\) bewiesen ist.
(b) Wir definieren \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] Beide Folgen \((M_i)\) und \((m_i)\) sind monoton nicht fallend: Durch das Vergrößern eines Anfangsabschnitts kann dessen Maximum nicht kleiner werden, und durch das Entfernen eines Elements aus einem Endabschnitt kann dessen Minimum nicht kleiner werden. Folglich gilt \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
Außerdem folgt aus \(m_i\le a_i\le M_i\), dass \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] Also gilt \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] für jedes \(i\). Zusammen mit Teil (a) ergibt dies \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] Die Argumentation gilt auch für \(d=0\), einschließlich des Falls \(n=1\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2007 · Soru 1
\(a_1,a_2,\ldots,a_n\) gerçel sayıları verilmiş olsun. Her \(i\) \((1\le i\le n)\) için, \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] olarak tanımlayalım ve \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\} \] olsun.
a. Tüm \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) gerçel sayıları için, \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge\frac d2 \tag{*} \] olduğunu kanıtlayınız.
b. \((*)\) da eşitliğin gerçekleşmesini sağlayan \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) gerçel sayılarının bulunduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\} \] olarak yazalım. Böylece \(d_i=M_i-m_i\) olur. \(m_i\le a_i\le M_i\) olduğundan, \(d_i\ge0\) elde ederiz.
(a) \(x_1\le\cdots\le x_n\) keyfî olsun ve \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\} \] olarak alalım. Her \(i\) için, \(a_p=M_i\) ve \(a_q=m_i\) olacak biçimde \(p\le i\) ve \(q\ge i\) indislerini seçelim. Tanımlarda kullanılan kümeler sonlu ve boş olmayan kümeler olduğundan bu indisler vardır. \(p\le q\) olduğundan \(x_p\le x_q\) olur; dolayısıyla \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] \(i\) üzerinden maksimum alındığında \(d\le2E\) elde edilir ve böylece \((*)\) kanıtlanır.
(b) \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n) \] olarak tanımlayalım. Hem \((M_i)\) hem de \((m_i)\) dizisi azalmayandır: bir başlangıç parçasını genişletmek onun maksimumunu azaltamaz ve bir son parçadan bir eleman çıkarmak onun minimumunu azaltamaz. Sonuç olarak, \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
Ayrıca, \(m_i\le a_i\le M_i\) eşitsizliklerinden \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2} \] elde edilir. Dolayısıyla her \(i\) için \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] olur. (a) şıkkıyla birlikte bu, \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2 \] sonucunu verir. Bu akıl yürütme, \(n=1\) durumu da dâhil olmak üzere, \(d=0\) olduğunda da geçerlidir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2007 · Problema 1
Sean \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) números reales. Para cada \(i\) \((1\le i\le n)\) se define \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] y sea \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\}. \]
(a) Demostrar que para cualesquiera números reales \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\), \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge\frac d2. \tag{*} \]
(b) Demostrar que existen números reales \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) para los cuales se cumple la igualdad en \((*)\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] Así, \(d_i=M_i-m_i\). Como \(m_i\le a_i\le M_i\), tenemos \(d_i\ge0\).
(a) Sean \(x_1\le\cdots\le x_n\) arbitrarios, y pongamos \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] Para cada \(i\), elijamos índices \(p\le i\) y \(q\ge i\) tales que \(a_p=M_i\) y \(a_q=m_i\). Estos índices existen porque los conjuntos que intervienen en las definiciones son finitos y no vacíos. Como \(p\le q\), tenemos \(x_p\le x_q\), por lo que \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] Tomando el máximo respecto de \(i\), obtenemos \(d\le2E\), lo que demuestra \((*)\).
(b) Definamos \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] Ambas sucesiones \((M_i)\) y \((m_i)\) son no decrecientes: ampliar un segmento inicial no puede disminuir su máximo, y eliminar un elemento de un segmento final no puede disminuir su mínimo. Por consiguiente, \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
Además, \(m_i\le a_i\le M_i\) implica \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] Por tanto, \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] para todo \(i\). Junto con el apartado (a), esto da \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] El argumento también se aplica cuando \(d=0\), incluido el caso \(n=1\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2007 · 问题 1
给定实数 \(a_1,a_2,\ldots,a_n\). 对每个 \(i\) \((1\le i\le n)\), 定义: \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\}, \] 且令 \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\}. \]
(a) 证明: 对任意实数 \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\), 有 \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge\frac d2. \tag{*} \]
(b) 证明: 存在实数 \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\) 使得 \((*)\) 中的等号成立.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] 于是 \(d_i=M_i-m_i\)。由于 \(m_i\le a_i\le M_i\),有 \(d_i\ge0\)。
(a) 任取 \(x_1\le\cdots\le x_n\),并令 \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] 对每个 \(i\),选取下标 \(p\le i\) 和 \(q\ge i\),使得 \(a_p=M_i\) 且 \(a_q=m_i\)。由于定义中的集合都是非空有限集,这样的下标存在。由 \(p\le q\),有 \(x_p\le x_q\),所以 \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] 对 \(i\) 取最大值得 \(d\le2E\),从而证明了 \((*)\)。
(b) 定义 \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] 数列 \((M_i)\) 和 \((m_i)\) 都单调不减:扩大前缀部分不会使其最大值减小,而从后缀部分删去一个元素不会使其最小值减小。因此, \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
此外,由 \(m_i\le a_i\le M_i\) 可得 \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] 因此,对每个 \(i\),都有 \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] 结合 (a),可得 \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] 上述论证也适用于 \(d=0\) 的情形,包括 \(n=1\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2007 · Задача 1
Даны действительные числа \(a_1,a_2,\ldots,a_n\). Для каждого \(i\) \((1\le i\le n)\) определим \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] и положим \[ d=\max\{d_i:1\le i\le n\}. \]
(a) Докажите, что для любых действительных чисел \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\) \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge \frac d2. \tag{*} \]
(b) Покажите, что существуют действительные числа \(x_1\le x_2\le\cdots\le x_n\), для которых в \((*)\) достигается равенство.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] Тогда \(d_i=M_i-m_i\). Поскольку \(m_i\le a_i\le M_i\), имеем \(d_i\ge0\).
(a) Пусть \(x_1\le\cdots\le x_n\) — произвольные числа; положим \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] Для каждого \(i\) выберем индексы \(p\le i\) и \(q\ge i\) так, чтобы \(a_p=M_i\) и \(a_q=m_i\). Такие индексы существуют, поскольку множества, по которым берутся максимум и минимум, конечны и непусты. Так как \(p\le q\), имеем \(x_p\le x_q\), поэтому \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] Беря максимум по \(i\), получаем \(d\le2E\), что доказывает \((*)\).
(b) Определим \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] Обе последовательности \((M_i)\) и \((m_i)\) не убывают: при добавлении элементов к начальному отрезку последовательности его максимум не может уменьшиться, а при удалении элемента из конечного отрезка его минимум не может уменьшиться. Следовательно, \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
Кроме того, из \(m_i\le a_i\le M_i\) следует \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] Значит, \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] для каждого \(i\). Вместе с пунктом (a) это даёт \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] Рассуждение применимо и при \(d=0\), в том числе при \(n=1\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2007 · المسألة 1
لتكن \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) أعداداً حقيقية معطاة . لكل \(i\) \((1\le i\le n)\) نعرّف . \[ d_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}-\min\{a_j:i\le j\le n\} \] حيث \(\max\) تعني أكبر ، و \(\min\) تعني أصغر ، و لتكن \(d=\max\{d_i:1\le i\le n\}\) .
1) برهن أنه لأي الأعداد الحقيقية \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\) فإن : \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}\ge\frac d2 \] حيث الرمز \(|\quad|\) يعني القيمة المطلقة .
2) بين أنه توجد أعداد حقيقية \(x_1\le x_2\le\ldots\le x_n\) بحيث يكون \(\max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2\) .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \[ M_i=\max\{a_j:1\le j\le i\}, \qquad m_i=\min\{a_j:i\le j\le n\}. \] إذن \(d_i=M_i-m_i\). وبما أن \(m_i\le a_i\le M_i\)، فإن \(d_i\ge0\).
(أ) لتكن \(x_1\le\cdots\le x_n\) أعداداً اختيارية، ولنضع \[ E=\max\{|x_j-a_j|:1\le j\le n\}. \] لكل \(i\)، نختار دليلين \(p\le i\) و\(q\ge i\) بحيث \(a_p=M_i\) و\(a_q=m_i\). يوجد هذان الدليلان لأن المجموعتين اللتين وردتا في التعريف منتهيتان وغير خاليتين. وبما أن \(p\le q\)، فإن \(x_p\le x_q\)، ومن ثم \[ \begin{aligned} d_i &=a_p-a_q\\ &=(a_p-x_p)+(x_p-x_q)+(x_q-a_q)\\ &\le |a_p-x_p|+|x_q-a_q|\\ &\le 2E. \end{aligned} \] بأخذ القيمة العظمى على جميع قيم \(i\)، نحصل على \(d\le2E\)، مما يثبت \((*)\).
(ب) نعرّف \[ x_i=\frac{M_i+m_i}{2}\qquad(1\le i\le n). \] كلتا المتتاليتين \((M_i)\) و\((m_i)\) غير متناقصتين: فتوسيع مقطع ابتدائي لا يمكن أن ينقص قيمته العظمى، وحذف عنصر من مقطع نهائي لا يمكن أن ينقص قيمته الصغرى. وبالتالي، \[ x_1\le x_2\le\cdots\le x_n. \]
فضلاً عن ذلك، يستلزم \(m_i\le a_i\le M_i\) أن \[ -\frac{M_i-m_i}{2} \le x_i-a_i \le \frac{M_i-m_i}{2}. \] ومن ثم \[ |x_i-a_i|\le \frac{d_i}{2}\le\frac d2 \] لكل \(i\). وبالجمع بين ذلك والجزء (أ)، نحصل على \[ \max\{|x_i-a_i|:1\le i\le n\}=\frac d2. \] وتنطبق الحجة أيضاً عندما \(d=0\)، بما في ذلك \(n=1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.