IMO 2008 · Problem 3
Prove that there exist infinitely many positive integers \(n\) such that \(n^2+1\) has a prime divisor which is greater than \(2n+\sqrt{2n}\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(N\) be an arbitrary positive integer. We will construct a suitable integer \(n>N\).
Put \[ A=(N^2+13)! \] and choose a prime divisor \(p\) of \(A^2+1\). Every prime at most \(N^2+13\) divides \(A\), so cannot divide \(A^2+1\). Consequently, \[ p>N^2+13. \]
Let \(r\) be the remainder when \(A\) is divided by \(p\). Since \(p\nmid A\), we have \(1\le r\le p-1\). Set \[ n=\min\{r,p-r\}. \] Then \(p\mid n^2+1\), and, since \(p\) is odd, \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] Moreover, \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] so \(n>N\).
Now put \(d=p-2n\), a positive odd integer. We have \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] Thus \(d^2+4\ge p>13\). As \(d\) is positive and odd, this forces \(d\ge5\). Therefore \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] and hence \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
We have found such an \(n>N\) for every positive integer \(N\), proving that infinitely many exist. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2008 · Aufgabe 3
Man beweise, dass es unendlich viele positive ganze Zahlen \(n\) gibt, für die \(n^2+1\) einen Primfaktor größer als \(2n+\sqrt{2n}\) besitzt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es sei \(N\) eine beliebige positive ganze Zahl. Wir konstruieren eine geeignete ganze Zahl \(n>N\).
Setze \[ A=(N^2+13)! \] und wähle einen Primteiler \(p\) von \(A^2+1\). Jede Primzahl, die höchstens \(N^2+13\) ist, teilt \(A\) und kann daher \(A^2+1\) nicht teilen. Folglich gilt \[ p>N^2+13. \]
Es sei \(r\) der Rest bei der Division von \(A\) durch \(p\). Wegen \(p\nmid A\) gilt \(1\le r\le p-1\). Setze \[ n=\min\{r,p-r\}. \] Dann gilt \(p\mid n^2+1\), und da \(p\) ungerade ist, gilt \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] Außerdem ist \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] also \(n>N\).
Setze nun \(d=p-2n\), eine positive ungerade ganze Zahl. Es gilt \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] Somit ist \(d^2+4\ge p>13\). Da \(d\) positiv und ungerade ist, folgt daraus \(d\ge5\). Daher gilt \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] und somit \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
Wir haben für jede positive ganze Zahl \(N\) ein solches \(n>N\) gefunden; damit ist bewiesen, dass es unendlich viele davon gibt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2008 · Soru 3
Sonsuz tane \(n\) doğal sayısı için \(n^2+1\) sayısının \(2n+\sqrt{2n}\) den büyük asal böleninin olduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(N\) herhangi bir pozitif tam sayı olsun. İstenen koşulu sağlayan bir \(n>N\) tam sayısı oluşturacağız.
\[ A=(N^2+13)! \] olsun ve \(A^2+1\) in bir asal böleni \(p\) yi seçelim. En fazla \(N^2+13\) olan her asal sayı \(A\) yı böler, dolayısıyla \(A^2+1\) i bölemez. Bu nedenle, \[ p>N^2+13. \]
\(A\) nın \(p\) ile bölümünden kalan \(r\) olsun. \(p\nmid A\) olduğundan, \(1\le r\le p-1\) dir. \[ n=\min\{r,p-r\} \] olarak tanımlayalım. O hâlde \(p\mid n^2+1\) dir ve \(p\) tek olduğundan, \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] Ayrıca, \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] dolayısıyla \(n>N\) dir.
Şimdi pozitif bir tek tam sayı olan \(d=p-2n\) yi tanımlayalım. \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p \] olur. Böylece \(d^2+4\ge p>13\) tür. \(d\) pozitif ve tek olduğundan, buradan \(d\ge5\) olmak zorundadır. Dolayısıyla \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] ve buradan \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n} \] elde edilir.
Her pozitif tam sayı \(N\) için böyle bir \(n>N\) bulduk; bu da bu tür sayıların sonsuz tane olduğunu kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2008 · Problema 3
Demostrar que existen infinitos números enteros positivos \(n\) tales que \(n^2+1\) tiene un divisor primo mayor que \(2n+\sqrt{2n}\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(N\) un entero positivo arbitrario. Construiremos un entero \(n>N\) que cumpla lo pedido.
Sea \[ A=(N^2+13)! \] y elijamos un divisor primo \(p\) de \(A^2+1\). Todo primo menor o igual que \(N^2+13\) divide a \(A\), por lo que no puede dividir a \(A^2+1\). Por consiguiente, \[ p>N^2+13. \]
Sea \(r\) el resto de dividir \(A\) por \(p\). Como \(p\nmid A\), tenemos \(1\le r\le p-1\). Sea \[ n=\min\{r,p-r\}. \] Entonces \(p\mid n^2+1\) y, como \(p\) es impar, \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] Además, \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] por lo que \(n>N\).
Sea ahora \(d=p-2n\), un entero positivo impar. Tenemos \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] Así pues, \(d^2+4\ge p>13\). Como \(d\) es positivo e impar, esto obliga a que \(d\ge5\). Por tanto, \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] y, en consecuencia, \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
Hemos encontrado un \(n>N\) con la propiedad requerida para cada entero positivo \(N\), lo que demuestra que existen infinitos. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2008 · 问题 3
证明:存在无穷多个正整数 \(n\),使得 \(n^2+1\) 有一个大于 \(2n+\sqrt{2n}\) 的质因子.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(N\) 为任意正整数。我们将构造一个满足要求的整数 \(n>N\)。
令 \[ A=(N^2+13)! \] 并取 \(A^2+1\) 的一个质因子 \(p\)。每个不大于 \(N^2+13\) 的质数都整除 \(A\),所以不能整除 \(A^2+1\)。因此, \[ p>N^2+13. \]
设 \(r\) 为 \(A\) 除以 \(p\) 的余数。由于 \(p\nmid A\),有 \(1\le r\le p-1\)。令 \[ n=\min\{r,p-r\}. \] 则 \(p\mid n^2+1\),并且,由于 \(p\) 是奇数, \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] 此外, \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] 所以 \(n>N\)。
现在令 \(d=p-2n\),则 \(d\) 为正奇数。有 \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] 于是 \(d^2+4\ge p>13\)。由于 \(d\) 是正奇数,必有 \(d\ge5\)。因此 \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] 从而 \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
对于每个正整数 \(N\),我们都找到了这样的 \(n>N\),这就证明了满足要求的正整数有无穷多个。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2008 · Задача 3
Докажите, что существует бесконечно много натуральных чисел \(n\) таких, что число \(n^2+1\) имеет простой делитель, который больше, чем \(2n+\sqrt{2n}\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(N\) — произвольное натуральное число. Построим подходящее целое число \(n>N\).
Положим \[ A=(N^2+13)! \] и выберем простой делитель \(p\) числа \(A^2+1\). Каждое простое число, не превосходящее \(N^2+13\), делит \(A\), поэтому не может делить \(A^2+1\). Следовательно, \[ p>N^2+13. \]
Пусть \(r\) — остаток от деления \(A\) на \(p\). Поскольку \(p\nmid A\), имеем \(1\le r\le p-1\). Положим \[ n=\min\{r,p-r\}. \] Тогда \(p\mid n^2+1\), и, поскольку \(p\) нечётно, \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] Кроме того, \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] так что \(n>N\).
Теперь положим \(d=p-2n\); это положительное нечётное число. Имеем \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] Таким образом, \(d^2+4\ge p>13\). Поскольку \(d\) положительно и нечётно, отсюда следует \(d\ge5\). Поэтому \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] а значит, \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
Для каждого натурального числа \(N\) мы нашли такое \(n>N\), что доказывает существование бесконечного множества таких чисел. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2008 · المسألة 3
برهن أنه يوجد عدد غير منته من الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\) بحيث: \(n^2+1\) له قاسما أوليا أكبر من \(2n+\sqrt{2n}\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(N\) عددًا صحيحًا موجبًا كيفيًا. سننشئ عددًا صحيحًا مناسبًا \(n>N\).
نضع \[ A=(N^2+13)! \] ونختار قاسمًا أوليًا \(p\) للعدد \(A^2+1\). كل عدد أولي لا يتجاوز \(N^2+13\) يقسم \(A\)، ولذلك لا يمكن أن يقسم \(A^2+1\). ومن ثم، \[ p>N^2+13. \]
ليكن \(r\) باقي قسمة \(A\) على \(p\). بما أن \(p\nmid A\)، فإن \(1\le r\le p-1\). نضع \[ n=\min\{r,p-r\}. \] عندئذ \(p\mid n^2+1\)، وبما أن \(p\) فردي، فإن \[ 1\le n\le \frac{p-1}{2}. \] فضلًا عن ذلك، \[ n^2+1\ge p>N^2+13, \] وبالتالي \(n>N\).
نضع الآن \(d=p-2n\)، وهو عدد صحيح موجب فردي. لدينا \[ d^2+4=(p-2n)^2+4\equiv4(n^2+1)\equiv0\pmod p. \] إذن \(d^2+4\ge p>13\). وبما أن \(d\) موجب وفردي، فإن ذلك يستلزم \(d\ge5\). لذلك \[ d^2\ge p-4=2n+d-4>2n, \] ومن ثم \[ p=2n+d>2n+\sqrt{2n}. \]
لقد وجدنا عددًا كهذا \(n>N\) لكل عدد صحيح موجب \(N\)، مما يثبت وجود عدد غير منته منها. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.