IMO 2007 · Problem 6
Let \(n\) be a positive integer. Consider \[ S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\} \] as a set of \((n+1)^3-1\) points in three-dimensional space. Determine the smallest possible number of planes, the union of which contains \(S\) but does not include \((0,0,0)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{3n} \]
Solution
The \(3n\) planes \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] cover \(S\), since every point of \(S\) has an integer coordinate sum between \(1\) and \(3n\). None of these planes contains the origin. Thus \(3n\) planes suffice.
For the lower bound, suppose \(m<3n\) planes cover \(S\) and avoid the origin. Write their equations as \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] Since each plane avoids the origin, every \(d_r\ne0\). The polynomial \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] therefore satisfies \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] while \(P\) vanishes at every point of \(S\).
We show that these properties are impossible by taking finite differences. For any polynomial \(F\), define \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] and define \(\Delta_y,\Delta_z\) similarly.
Each difference reduces total degree by at least one, unless it gives the zero polynomial. Indeed, on a monomial, \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] This is zero if \(a=0\); otherwise the binomial theorem shows that its total degree is at most \(a+b+c-1\). The same reasoning applies in the other variables. Consequently, since \(\deg P<3n\), \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
On the other hand, expanding the repeated differences gives \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] To justify the coefficients, in the \(n\) differences in \(x\), choosing the shifted term \(i\) times and the negative unshifted term \(n-i\) times gives the coefficient \((-1)^{n-i}\binom ni\). Applying this independently in all three coordinates yields (2).
Every value on the right of (2) vanishes except the value at \((0,0,0)\). Hence \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] contradicting (1).
Thus at least \(3n\) planes are necessary. Together with the construction, this proves that the minimum is \(\boxed{3n}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2007 · Aufgabe 6
Es sei \(n\) eine positive ganze Zahl. Gegeben sei \[ S=\bigl\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},x+y+z>0\bigr\}, \] eine Menge von \((n+1)^3-1\) Punkten des drei-dimensionalen Raumes. Man bestimme die kleinstmögliche Anzahl von Ebenen, deren Vereinigung die Menge \(S\) umfasst, aber nicht den Punkt \((0,0,0)\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{3n} \]
Lösung
Die \(3n\) Ebenen \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] überdecken \(S\), da jeder Punkt von \(S\) eine ganzzahlige Koordinatensumme zwischen \(1\) und \(3n\) hat. Keine dieser Ebenen enthält den Ursprung. Somit reichen \(3n\) Ebenen aus.
Für die untere Schranke nehmen wir an, dass \(m<3n\) Ebenen die Menge \(S\) überdecken und den Ursprung nicht enthalten. Wir schreiben ihre Gleichungen als \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] Da keine der Ebenen den Ursprung enthält, gilt stets \(d_r\ne0\). Das Polynom \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] erfüllt daher \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] während \(P\) an jedem Punkt von \(S\) verschwindet.
Wir zeigen mithilfe endlicher Differenzen, dass diese Eigenschaften unmöglich sind. Für jedes Polynom \(F\) definieren wir \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] und definieren \(\Delta_y,\Delta_z\) entsprechend.
Jede Differenz verringert den Gesamtgrad um mindestens eins, sofern sie nicht das Nullpolynom ergibt. Für ein Monom gilt nämlich \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] Für \(a=0\) ist dies null; andernfalls zeigt der binomische Lehrsatz, dass der Gesamtgrad höchstens \(a+b+c-1\) beträgt. Dieselbe Überlegung gilt für die anderen Variablen. Wegen \(\deg P<3n\) folgt daher \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
Andererseits ergibt das Ausmultiplizieren der wiederholten Differenzen \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] Zur Begründung der Koeffizienten: Wählt man bei den \(n\) Differenzen in \(x\) den verschobenen Term \(i\)-mal und den negativen unverschobenen Term \(n-i\)-mal, so ergibt sich der Koeffizient \((-1)^{n-i}\binom ni\). Die unabhängige Anwendung dieser Überlegung auf alle drei Koordinaten liefert (2).
Jeder Wert auf der rechten Seite von (2) verschwindet, mit Ausnahme des Werts bei \((0,0,0)\). Daher gilt \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] im Widerspruch zu (1).
Somit sind mindestens \(3n\) Ebenen notwendig. Zusammen mit der Konstruktion beweist dies, dass das Minimum \(\boxed{3n}\) ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2007 · Soru 6
\(n\) pozitif bir tam sayı olsun. Üç boyutlu uzayda \((n+1)^3-1\) noktadan oluşan \[ S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\} \] kümesi veriliyor. Birleşimleri \(S\) kümesini kapsayan, ama \((0,0,0)\) noktasını içermeyen düzlemlerin sayısının alabileceği en küçük değeri belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{3n} \]
Çözüm
Şu \(3n\) düzlem \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] \(S\) kümesini örter; çünkü \(S\) kümesindeki her noktanın koordinatları toplamı \(1\) ile \(3n\) arasında bir tam sayıdır. Bu düzlemlerin hiçbiri başlangıç noktasını içermez. Dolayısıyla \(3n\) düzlem yeterlidir.
Alt sınır için, \(m<3n\) düzlemin \(S\) kümesini örttüğünü ve başlangıç noktasından geçmediğini varsayalım. Denklemlerini \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m \] biçiminde yazalım. Her düzlem başlangıç noktasından geçmediğinden, her \(d_r\ne0\) olur. Dolayısıyla \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] polinomu \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] koşullarını sağlar; öte yandan \(P\), \(S\) kümesinin her noktasında sıfırdır.
Sonlu farklar alarak bu özelliklerin bir arada sağlanamayacağını göstereceğiz. Herhangi bir \(F\) polinomu için, \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] olarak tanımlayalım; \(\Delta_y,\Delta_z\) işleçlerini de benzer şekilde tanımlayalım.
Her fark işlemi, sıfır polinomunu vermediği sürece, toplam dereceyi en az bir azaltır. Gerçekten, bir tek terimli üzerinde, \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] \(a=0\) ise bu sıfırdır; aksi hâlde binom teoremi, toplam derecesinin en fazla \(a+b+c-1\) olduğunu gösterir. Aynı akıl yürütme diğer değişkenler için de geçerlidir. Sonuç olarak, \(\deg P<3n\) olduğundan, \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
Öte yandan, tekrarlanan fark işlemlerini açarsak, \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] elde ederiz. Katsayıları açıklamak için, \(x\) değişkenine göre alınan \(n\) farkta ötelenmiş terimi \(i\) kez, eksi işaretli ötelenmemiş terimi ise \(n-i\) kez seçmenin \((-1)^{n-i}\binom ni\) katsayısını verdiğine dikkat edelim. Bunu üç koordinatın her birinde bağımsız olarak uygulamak (2) eşitliğini verir.
(2) eşitliğinin sağ tarafındaki, \((0,0,0)\) noktasındaki değer dışındaki tüm değerler sıfırdır. Dolayısıyla \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] olur; bu da (1) ile çelişir.
O hâlde en az \(3n\) düzlem gereklidir. Verilen inşayla birlikte bu, en küçük değerin \(\boxed{3n}\) olduğunu kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2007 · Problema 6
Sea \(n\) un entero positivo. Se considera \[ S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\} \] como un conjunto de \((n+1)^3-1\) puntos en el espacio tridimensional. Determinar el menor número posible de planos cuya unión contiene todos los puntos de \(S\) pero no incluye a \((0,0,0)\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{3n} \]
Solución
Los \(3n\) planos \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] cubren \(S\), pues la suma de las coordenadas de cada punto de \(S\) es un entero entre \(1\) y \(3n\). Ninguno de estos planos contiene el origen. Por tanto, \(3n\) planos son suficientes.
Para la cota inferior, supongamos que \(m<3n\) planos cubren \(S\) y no pasan por el origen. Escribamos sus ecuaciones como \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] Como ninguno de los planos pasa por el origen, cada \(d_r\ne0\). El polinomio \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] satisface, por tanto, \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] mientras que \(P\) se anula en todos los puntos de \(S\).
Demostraremos que estas propiedades son imposibles tomando diferencias finitas. Para cualquier polinomio \(F\), definamos \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] y definamos \(\Delta_y,\Delta_z\) de forma análoga.
Cada diferencia reduce el grado total al menos en uno, salvo que dé el polinomio nulo. En efecto, para un monomio, \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] Esto es cero si \(a=0\); en caso contrario, el teorema del binomio muestra que su grado total es a lo sumo \(a+b+c-1\). El mismo razonamiento se aplica a las demás variables. Por consiguiente, como \(\deg P<3n\), \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
Por otra parte, desarrollando las diferencias iteradas obtenemos \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] Para justificar los coeficientes, en las \(n\) diferencias respecto de \(x\), elegir el término desplazado \(i\) veces y el término negativo sin desplazar \(n-i\) veces da el coeficiente \((-1)^{n-i}\binom ni\). Aplicando esto de forma independiente en las tres coordenadas se obtiene (2).
Todos los valores del miembro derecho de (2) se anulan salvo el valor en \((0,0,0)\). Por tanto, \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] lo que contradice (1).
Así, son necesarios al menos \(3n\) planos. Junto con la construcción, esto demuestra que el mínimo es \(\boxed{3n}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2007 · 问题 6
设 \(n\) 是一个正整数. 考虑 \[ S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\} \] 这样一个三维空间中具有 \((n+1)^3-1\) 个点的集合. 问: 最少要多少个平面, 它们的并集才能包含 \(S\), 但不含 \((0,0,0)\).
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{3n} \]
解答
这 \(3n\) 个平面 \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] 覆盖 \(S\),因为 \(S\) 中每个点的坐标之和都是介于 \(1\) 和 \(3n\) 之间的整数。这些平面都不经过原点。因此 \(3n\) 个平面足够。
为证明下界,假设 \(m<3n\) 个平面覆盖 \(S\),且都不经过原点。将它们的方程写为 \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] 由于每个平面都不经过原点,每个 \(d_r\ne0\)。因此,多项式 \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] 满足 \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] 而 \(P\) 在 \(S\) 的每个点处都为零。
我们通过取有限差分证明,这些性质不可能同时成立。对任意多项式 \(F\),定义 \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] 并类似地定义 \(\Delta_y,\Delta_z\)。
每次差分都使总次数至少降低一,除非所得为零多项式。事实上,对于单项式, \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] 若 \(a=0\),此式为零;否则,由二项式定理可知其总次数至多为 \(a+b+c-1\)。同样的论证也适用于其他变量。因此,由于 \(\deg P<3n\), \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
另一方面,展开逐次差分可得 \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] 为说明这些系数,在关于 \(x\) 的 \(n\) 次差分中,选取平移后的项 \(i\) 次,并选取带负号的未平移项 \(n-i\) 次,得到系数 \((-1)^{n-i}\binom ni\)。对三个坐标分别独立地应用这一过程,就得到 (2)。
(2) 右端除 \((0,0,0)\) 处的值外,其余各值均为零。因此 \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] 这与 (1) 矛盾。
所以至少需要 \(3n\) 个平面。结合上述构造,最小值为 \(\boxed{3n}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2007 · Задача 6
Пусть \(n\) — положительное целое число. Рассмотрим \[ S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\} \] как множество из \((n+1)^3-1\) точек в трёхмерном пространстве. Определите наименьшее возможное число плоскостей, объединение которых содержит \(S\), но не содержит \((0,0,0)\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{3n} \]
Решение
Плоскости в количестве \(3n\), заданные уравнениями \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] покрывают \(S\), поскольку сумма координат каждой точки множества \(S\) — целое число от \(1\) до \(3n\). Ни одна из этих плоскостей не содержит начало координат. Таким образом, \(3n\) плоскостей достаточно.
Для доказательства нижней оценки предположим, что \(m<3n\) плоскостей покрывают \(S\) и не проходят через начало координат. Запишем их уравнения в виде \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] Поскольку ни одна плоскость не проходит через начало координат, все \(d_r\ne0\). Поэтому многочлен \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] удовлетворяет условиям \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] при этом \(P\) обращается в нуль в каждой точке множества \(S\).
С помощью конечных разностей покажем, что эти свойства несовместимы. Для любого многочлена \(F\) определим \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] а \(\Delta_y,\Delta_z\) определим аналогично.
Каждое взятие разности уменьшает полную степень хотя бы на единицу, если результат не является нулевым многочленом. Действительно, для одночлена имеем \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] При \(a=0\) это выражение равно нулю; в противном случае из бинома Ньютона следует, что его полная степень не превосходит \(a+b+c-1\). То же рассуждение применимо и к другим переменным. Следовательно, поскольку \(\deg P<3n\), \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
С другой стороны, раскрывая повторные разности, получаем \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] Чтобы обосновать коэффициенты, заметим, что при \(n\)-кратном взятии разности по \(x\) выбор слагаемого со сдвигом \(i\) раз и слагаемого без сдвига со знаком минус \(n-i\) раз даёт коэффициент \((-1)^{n-i}\binom ni\). Применяя это независимо по всем трём координатам, получаем (2).
Все значения в правой части (2) обращаются в нуль, кроме значения в точке \((0,0,0)\). Значит, \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] что противоречит (1).
Таким образом, необходимо не менее \(3n\) плоскостей. Вместе с приведённой конструкцией это доказывает, что минимум равен \(\boxed{3n}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2007 · المسألة 6
ليكن \(n\) عدداً صحيحاً موجباً . لنعتبر \(S=\{(x,y,z):x,y,z\in\{0,1,\ldots,n\},\ x+y+z>0\}\) كمجموعة من \((n+1)^3-1\) نقطة من الفراغ (الفضاء) الثلاثي .
حدد أصغر عدد ممكن من المستويات بحيث يكون اتحادها يتضمن \(S\) و لا يحتوي على النقطة \((0,0,0)\) .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{3n} \]
الحل
المستويات الـ\(3n\) \[ x+y+z=k,\qquad k=1,2,\ldots,3n, \] تغطي \(S\)، لأن مجموع إحداثيات كل نقطة من \(S\) عدد صحيح بين \(1\) و\(3n\). ولا يحتوي أي من هذه المستويات على مبدأ الإحداثيات. إذن يكفي \(3n\) مستوى.
لإثبات الحد الأدنى، نفترض أن \(m<3n\) مستوى تغطي \(S\) ولا تمر بمبدأ الإحداثيات. نكتب معادلاتها على الصورة \[ a_rx+b_ry+c_rz+d_r=0,\qquad 1\le r\le m. \] بما أن كل مستوى لا يمر بمبدأ الإحداثيات، فإن كل \(d_r\ne0\). ولذلك فإن كثيرة الحدود \[ P(x,y,z)=\prod_{r=1}^{m}(a_rx+b_ry+c_rz+d_r) \] تحقق \[ \deg P\le m<3n,\qquad P(0,0,0)=\prod_{r=1}^{m}d_r\ne0, \] بينما تنعدم \(P\) عند كل نقطة من \(S\).
نبين أن هذه الخواص مستحيلة بأخذ الفروق المنتهية. لكل كثيرة حدود \(F\)، نعرّف \[ \Delta_xF(x,y,z)=F(x+1,y,z)-F(x,y,z), \] ونعرّف \(\Delta_y,\Delta_z\) على نحو مماثل.
كل فرق ينقص الدرجة الكلية بمقدار واحد على الأقل، ما لم يعط كثيرة الحدود الصفرية. وبالفعل، بالنسبة إلى وحيدة حد، \[ \Delta_x(x^ay^bz^c)=\bigl((x+1)^a-x^a\bigr)y^bz^c. \] يساوي هذا صفراً إذا كان \(a=0\)؛ وفي غير ذلك، تبين مبرهنة ذات الحدين أن درجته الكلية لا تتجاوز \(a+b+c-1\). وينطبق الاستدلال نفسه على المتغيرين الآخرين. وبالتالي، بما أن \(\deg P<3n\)، فإن \[ \Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\equiv0. \tag{1} \]
من جهة أخرى، يعطي نشر الفروق المتكررة \[ \begin{aligned} &\bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0)\\ &\quad= \sum_{i=0}^{n}\sum_{j=0}^{n}\sum_{k=0}^{n} (-1)^{3n-i-j-k} \binom ni\binom nj\binom nk\,P(i,j,k). \end{aligned} \tag{2} \] لتبرير المعاملات، في الفروق الـ\(n\) بالنسبة إلى \(x\)، يعطي اختيار الحد المزاح \(i\) مرة والحد السالب غير المزاح \(n-i\) مرة المعامل \((-1)^{n-i}\binom ni\). وبتطبيق ذلك على كل من الإحداثيات الثلاثة بصورة مستقلة نحصل على (2).
كل قيمة في الطرف الأيمن من (2) تنعدم باستثناء القيمة عند \((0,0,0)\). ومن ثم \[ \bigl(\Delta_x^n\Delta_y^n\Delta_z^nP\bigr)(0,0,0) =(-1)^{3n}P(0,0,0)\ne0, \] مما يناقض (1).
إذن يلزم \(3n\) مستوى على الأقل. وبالجمع بين ذلك والبناء السابق، يثبت أن العدد الأدنى هو \(\boxed{3n}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.