IMO 2007 · Problem 5
Let \(a\) and \(b\) be positive integers. Show that if \(4ab-1\) divides \((4a^2-1)^2\), then \(a=b\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(d=4ab-1\). Since \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] the given divisibility implies \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
Suppose, for a contradiction, that \(a\ne b\). Then \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] for some positive integer \(k\). We will show by infinite descent that this equation has no positive integer solutions.
Fix this \(k\), and choose a positive integer solution \((x,y)\) of \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] with \(x+y\) as small as possible. Such a solution exists by our assumption. The right-hand side is positive, so \(x\ne y\); by symmetry, we may assume \(x>y\).
Rearranging (1) gives \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] Define the integer \[ z=(4k+2)y-x. \] The polynomial \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] therefore factors as \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] Comparing constant terms gives \[ xz=y^2+k>0, \] so \(z>0\). Moreover, \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] Since \(y-x<0\), we obtain \(y-z>0\). Thus \[ 0<z<y<x. \]
Finally, \(f(z)=0\) gives \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] or equivalently, \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] Hence \((z,y)\) is another positive integer solution of (1), but \[ z+y<x+y, \] contradicting the minimal choice of \((x,y)\).
Therefore \(a\ne b\) is impossible, and \(\boxed{a=b}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2007 · Aufgabe 5
Es seien \(a\) und \(b\) positive ganze Zahlen. Man beweise: Wenn \(4ab-1\) ein Teiler von \((4a^2-1)^2\) ist, so gilt \(a=b\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(d=4ab-1\). Wegen \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] folgt aus der gegebenen Teilbarkeit \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
Wir nehmen zum Widerspruch an, dass \(a\ne b\) gilt. Dann ist \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] für eine positive ganze Zahl \(k\). Wir zeigen durch unendlichen Abstieg, dass diese Gleichung keine Lösungen in positiven ganzen Zahlen hat.
Wir halten dieses \(k\) fest und wählen eine Lösung \((x,y)\) in positiven ganzen Zahlen der Gleichung \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] mit möglichst kleinem \(x+y\). Eine solche Lösung existiert nach unserer Annahme. Die rechte Seite ist positiv, also gilt \(x\ne y\); aus Symmetriegründen dürfen wir \(x>y\) annehmen.
Durch Umformen von (1) erhalten wir \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] Wir definieren die ganze Zahl \[ z=(4k+2)y-x. \] Das Polynom \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] hat daher die Faktorisierung \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] Der Vergleich der konstanten Glieder ergibt \[ xz=y^2+k>0, \] also \(z>0\). Außerdem gilt \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] Wegen \(y-x<0\) erhalten wir \(y-z>0\). Somit ist \[ 0<z<y<x. \]
Schließlich folgt aus \(f(z)=0\), dass \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] oder äquivalent \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] Damit ist \((z,y)\) eine weitere Lösung von (1) in positiven ganzen Zahlen, aber es gilt \[ z+y<x+y, \] im Widerspruch zur minimalen Wahl von \((x,y)\).
Also ist \(a\ne b\) unmöglich, und es gilt \(\boxed{a=b}\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2007 · Soru 5
\(a\) ve \(b\) pozitif tam sayılar olsun. \(4ab-1\), \((4a^2-1)^2\) yi bölüyorsa, \(a=b\) olduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(d=4ab-1\) olarak alalım. \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] olduğundan, verilen bölünebilme koşulu \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2 \] sonucunu verir.
Çelişki elde etmek üzere, \(a\ne b\) olduğunu varsayalım. O zaman bir \(k\) pozitif tam sayısı için \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] olur. Bu denklemin pozitif tam sayılarda çözümü olmadığını sonsuz iniş yöntemiyle göstereceğiz.
Bu \(k\) değerini sabitleyelim ve \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] denkleminin, \(x+y\) toplamı mümkün olduğunca küçük olan bir \((x,y)\) pozitif tam sayı çözümünü seçelim. Varsayımımız gereği böyle bir çözüm vardır. Sağ taraf pozitif olduğundan \(x\ne y\) olur; simetriden dolayı \(x>y\) olduğunu varsayabiliriz.
(1) yeniden düzenlenirse \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0 \] elde edilir. \[ z=(4k+2)y-x \] tam sayısını tanımlayalım. Dolayısıyla \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] polinomu \[ f(t)=(t-x)(t-z) \] biçiminde çarpanlarına ayrılır. Sabit terimleri karşılaştırarak \[ xz=y^2+k>0, \] elde ederiz; dolayısıyla \(z>0\) olur. Ayrıca, \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] \(y-x<0\) olduğundan \(y-z>0\) elde ederiz. Böylece \[ 0<z<y<x. \]
Son olarak, \(f(z)=0\) eşitliğinden \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] veya eşdeğer olarak, \[ (z-y)^2=k(4zy-1) \] elde edilir. Dolayısıyla \((z,y)\), (1) denkleminin başka bir pozitif tam sayı çözümüdür; ancak \[ z+y<x+y, \] olması \((x,y)\) çözümünün en küçük toplamı verecek biçimde seçilmesiyle çelişir.
O hâlde \(a\ne b\) mümkün değildir ve \(\boxed{a=b}\) olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2007 · Problema 5
Sean \(a\) y \(b\) enteros positivos tales que \(4ab-1\) divide a \((4a^2-1)^2\). Demostrar que \(a=b\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \(d=4ab-1\). Como \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] la divisibilidad dada implica \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
Supongamos, por reducción al absurdo, que \(a\ne b\). Entonces \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] para algún entero positivo \(k\). Demostraremos por descenso infinito que esta ecuación no tiene soluciones en enteros positivos.
Fijemos este \(k\), y elijamos una solución en enteros positivos \((x,y)\) de \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] con \(x+y\) lo menor posible. Tal solución existe por nuestra suposición. El miembro derecho es positivo, por lo que \(x\ne y\); por simetría, podemos suponer que \(x>y\).
Reordenando (1) obtenemos \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] Definamos el entero \[ z=(4k+2)y-x. \] El polinomio \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] se factoriza, por tanto, como \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] Comparando los términos independientes obtenemos \[ xz=y^2+k>0, \] por lo que \(z>0\). Además, \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] Como \(y-x<0\), obtenemos \(y-z>0\). Así, \[ 0<z<y<x. \]
Por último, \(f(z)=0\) da \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] o, equivalentemente, \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] Por tanto, \((z,y)\) es otra solución en enteros positivos de (1), pero \[ z+y<x+y, \] lo que contradice la elección mínima de \((x,y)\).
Por tanto, \(a\ne b\) es imposible, y \(\boxed{a=b}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2007 · 问题 5
设 \(a\) 与 \(b\) 为正整数. 已知 \(4ab-1\) 整除 \((4a^2-1)^2\), 证明: \(a=b\).
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(d=4ab-1\)。由于 \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] 由已知整除关系可得 \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
用反证法,假设 \(a\ne b\)。则 \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] 其中 \(k\) 为某个正整数。我们将用无穷递降法证明,此方程没有正整数解。
固定这个 \(k\),并选取方程 \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] 的一个正整数解 \((x,y)\),使 \(x+y\) 尽可能小。由我们的假设,这样的解存在。右端为正,所以 \(x\ne y\);由对称性,可设 \(x>y\)。
整理 (1),得 \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] 定义整数 \[ z=(4k+2)y-x. \] 于是多项式 \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] 可分解为 \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] 比较常数项,得 \[ xz=y^2+k>0, \] 所以 \(z>0\)。此外, \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] 由于 \(y-x<0\),得到 \(y-z>0\)。因此 \[ 0<z<y<x. \]
最后,由 \(f(z)=0\) 可得 \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] 等价地, \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] 因此 \((z,y)\) 是 (1) 的另一个正整数解,但 \[ z+y<x+y, \] 这与 \((x,y)\) 的最小性矛盾。
因此 \(a\ne b\) 不可能成立,故 \(\boxed{a=b}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2007 · Задача 5
Пусть \(a\) и \(b\) — положительные целые числа. Докажите, что если \(4ab-1\) делит \((4a^2-1)^2\), то \(a=b\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(d=4ab-1\). Поскольку \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] из данной делимости следует \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
Предположим от противного, что \(a\ne b\). Тогда \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] для некоторого положительного целого числа \(k\). Методом бесконечного спуска докажем, что это уравнение не имеет решений в положительных целых числах.
Зафиксируем это \(k\) и выберем решение \((x,y)\) уравнения \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] в положительных целых числах с наименьшей возможной суммой \(x+y\). Такое решение существует по нашему предположению. Правая часть положительна, поэтому \(x\ne y\); в силу симметрии можно считать, что \(x>y\).
Переписав (1), получаем \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] Определим целое число \[ z=(4k+2)y-x. \] Многочлен \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] поэтому раскладывается на множители следующим образом: \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] Сравнивая свободные члены, получаем \[ xz=y^2+k>0, \] так что \(z>0\). Кроме того, \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] Поскольку \(y-x<0\), получаем \(y-z>0\). Таким образом, \[ 0<z<y<x. \]
Наконец, из \(f(z)=0\) следует \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] или, что равносильно, \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] Значит, \((z,y)\) — ещё одно решение (1) в положительных целых числах, но \[ z+y<x+y, \] что противоречит минимальности выбранного решения \((x,y)\).
Следовательно, \(a\ne b\) невозможно, и \(\boxed{a=b}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2007 · المسألة 5
بفرض أن \(a\) و \(b\) عددان صحيحان موجبان .
بين أنه إذا كان \(4ab-1\) يقسم \((4a^2-1)^2\) فإن \(a=b\) .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(d=4ab-1\). بما أن \[ b(4a^2-1)=ad+(a-b), \] فإن قابلية القسمة المعطاة تستلزم \[ d\mid b^2(4a^2-1)^2 \quad\Longrightarrow\quad d\mid(a-b)^2. \]
نفترض، طلباً للتناقض، أن \(a\ne b\). عندئذ \[ (a-b)^2=k(4ab-1) \] من أجل عدد صحيح موجب \(k\). سنبين بالنزول اللانهائي أن هذه المعادلة ليس لها حلول بأعداد صحيحة موجبة.
نثبت قيمة \(k\) هذه، ونختار حلاً بأعداد صحيحة موجبة \((x,y)\) للمعادلة \[ (x-y)^2=k(4xy-1) \tag{1} \] بحيث يكون \(x+y\) أصغر ما يمكن. يوجد مثل هذا الحل بموجب افتراضنا. الطرف الأيمن موجب، ولذلك \(x\ne y\)؛ وبالتناظر، يمكننا افتراض أن \(x>y\).
بإعادة ترتيب (1)، نحصل على \[ x^2-(4k+2)yx+y^2+k=0. \] نعرّف العدد الصحيح \[ z=(4k+2)y-x. \] ومن ثم تتحلل كثيرة الحدود \[ f(t)=t^2-(4k+2)yt+y^2+k \] على الصورة \[ f(t)=(t-x)(t-z). \] بمقارنة الحدين الثابتين، نحصل على \[ xz=y^2+k>0, \] ولذلك \(z>0\). فضلاً عن ذلك، \[ (y-x)(y-z)=f(y)=k(1-4y^2)<0. \] بما أن \(y-x<0\)، نحصل على \(y-z>0\). إذن \[ 0<z<y<x. \]
أخيراً، تعطي \(f(z)=0\) \[ z^2-(4k+2)yz+y^2+k=0, \] أو، على نحو مكافئ، \[ (z-y)^2=k(4zy-1). \] ومن ثم فإن \((z,y)\) حل آخر بأعداد صحيحة موجبة للمعادلة (1)، لكن \[ z+y<x+y, \] مما يناقض اختيار \((x,y)\) بحيث يكون المجموع أصغر ما يمكن.
إذن \(a\ne b\) مستحيل، وبالتالي \(\boxed{a=b}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.