IMO 2009 · Problem 3
Suppose that \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) is a strictly increasing sequence of positive integers such that the subsequences \[ s_{s_1},s_{s_2},s_{s_3},\ldots \qquad\text{and}\qquad s_{s_1+1},s_{s_2+1},s_{s_3+1},\ldots \] are both arithmetic progressions. Prove that the sequence \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) is itself an arithmetic progression.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(A\) and \(B\) be the common differences of the first and second given arithmetic progressions, respectively. Both are positive integers.
Since \(s_n+1\le s_{n+1}\), strict increase gives \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] Consequently, \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] But the middle expression equals \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] Being bounded for all positive integers \(n\), it must have \(B-A=0\). Thus there is a fixed positive integer \(c\) such that \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
Define the positive integer gaps \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] For every \(n\), \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] This sum contains \(d_n\) terms, all at least \(1\), so \(d_n\le A\). Therefore the gaps have an attained minimum \(m\) and maximum \(M\), with \[ 1\le m\le M\le A. \] Moreover, the first term in every sum (1) is \(d_{s_n}=c\).
Choose an index \(i\) with \(d_i=m\). The corresponding sum (1) has first term \(c\) and \(m-1\) remaining terms, each at most \(M\). Hence \[ A\le c+(m-1)M. \] Similarly, choosing an index \(j\) with \(d_j=M\) gives \[ A\ge c+(M-1)m. \] These inequalities also hold when a sum has no remaining terms. Combining them yields \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] which simplifies to \(M\le m\). Thus \(M=m\), and every gap \(d_n\) equals \(m\).
It follows that \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] so the original sequence is an arithmetic progression. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2009 · Aufgabe 3
Es sei \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) eine streng monoton wachsende Folge positiver ganzer Zahlen derart, dass die beiden Teilfolgen \[ s_{s_1},\ s_{s_2},\ s_{s_3},\ \ldots \quad\text{und}\quad s_{s_1+1},\ s_{s_2+1},\ s_{s_3+1},\ \ldots \] jeweils arithmetische Folgen sind. Man zeige, dass \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) ebenfalls eine arithmetische Folge ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Seien \(A\) und \(B\) die konstanten Differenzen der ersten bzw. zweiten gegebenen arithmetischen Folge. Beide sind positive ganze Zahlen.
Wegen \(s_n+1\le s_{n+1}\) folgt aus der strengen Monotonie \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] Folglich gilt \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] Der mittlere Ausdruck ist jedoch gleich \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] Da er für alle positiven ganzen Zahlen \(n\) beschränkt ist, muss \(B-A=0\) gelten. Somit gibt es eine feste positive ganze Zahl \(c\) mit \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
Wir definieren die positiven ganzzahligen Differenzen \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] Für jedes \(n\) gilt \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] Diese Summe enthält \(d_n\) Summanden, die alle mindestens \(1\) sind, also gilt \(d_n\le A\). Daher besitzen die Differenzen ein angenommenes Minimum \(m\) und ein angenommenes Maximum \(M\), wobei \[ 1\le m\le M\le A. \] Außerdem ist der erste Summand in jeder Summe (1) gleich \(d_{s_n}=c\).
Wir wählen einen Index \(i\) mit \(d_i=m\). Die entsprechende Summe (1) hat den ersten Summanden \(c\) und \(m-1\) weitere Summanden, die jeweils höchstens \(M\) sind. Daher gilt \[ A\le c+(m-1)M. \] Entsprechend erhalten wir durch die Wahl eines Index \(j\) mit \(d_j=M\) \[ A\ge c+(M-1)m. \] Diese Ungleichungen gelten auch dann, wenn eine Summe keine weiteren Summanden hat. Zusammen ergeben sie \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] was sich zu \(M\le m\) vereinfacht. Somit ist \(M=m\), und jede Differenz \(d_n\) ist gleich \(m\).
Es folgt \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] also ist die ursprüngliche Folge eine arithmetische Folge. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2009 · Soru 3
Pozitif tam sayılardan oluşan ve kesin artan bir \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) dizisinin \[ s_{s_1},s_{s_2},s_{s_3},\ldots \qquad\text{ve}\qquad s_{s_1+1},s_{s_2+1},s_{s_3+1},\ldots \] altdizilerinin her ikisi de birer aritmetik dizi ise, \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) dizisinin kendisinin de bir aritmetik dizi olduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Verilen birinci ve ikinci aritmetik dizilerin ortak farkları sırasıyla \(A\) ve \(B\) olsun. Her ikisi de pozitif tam sayıdır.
\(s_n+1\le s_{n+1}\) olduğundan, dizinin kesin artan olması \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}} \] eşitsizliklerini verir. Dolayısıyla, \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] Ancak ortadaki ifade \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A) \] ifadesine eşittir. Bu ifade tüm pozitif tam sayılar \(n\) için sınırlı olduğundan \(B-A=0\) olmalıdır. Böylece \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1) \] olacak biçimde sabit bir pozitif tam sayı \(c\) vardır.
Pozitif tam sayı olan ardışık terim farklarını \[ d_n=s_{n+1}-s_n \] olarak tanımlayalım. Her \(n\) için, \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] Bu toplamda, her biri en az \(1\) olan \(d_n\) tane terim vardır; dolayısıyla \(d_n\le A\) olur. Bu nedenle ardışık terim farklarının aldığı bir en küçük değer \(m\) ve bir en büyük değer \(M\) vardır ve \[ 1\le m\le M\le A. \] Ayrıca (1)'deki her toplamın ilk terimi \(d_{s_n}=c\)'dir.
\(d_i=m\) olan bir \(i\) indisi seçelim. Buna karşılık gelen (1) toplamının ilk terimi \(c\)'dir ve kalan \(m-1\) terimin her biri en çok \(M\)'dir. Dolayısıyla \[ A\le c+(m-1)M. \] Benzer biçimde, \(d_j=M\) olan bir \(j\) indisi seçilirse \[ A\ge c+(M-1)m \] elde edilir. Bu eşitsizlikler, bir toplamda ilk terim dışında terim kalmadığında da geçerlidir. Bunları birleştirerek \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] elde ederiz; bu da sadeleştirilince \(M\le m\) olur. Böylece \(M=m\) ve her \(d_n\) farkı \(m\)'ye eşittir.
Buradan \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] olduğu çıkar; dolayısıyla başlangıçtaki dizi bir aritmetik dizidir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2009 · Problema 3
Sea \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) una sucesión estrictamente creciente de enteros positivos tal que las subsucesiones \[ s_{s_1},s_{s_2},s_{s_3},\ldots \qquad\text{y}\qquad s_{s_1+1},s_{s_2+1},s_{s_3+1},\ldots \] son ambas progresiones aritméticas. Demostrar que la sucesión \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) es también una progresión aritmética.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sean \(A\) y \(B\) las diferencias de la primera y la segunda progresión aritmética dadas, respectivamente. Ambas son enteros positivos.
Como \(s_n+1\le s_{n+1}\), por ser la sucesión estrictamente creciente se tiene \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] Por consiguiente, \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] Pero la expresión central es igual a \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] Como está acotada para todos los enteros positivos \(n\), necesariamente \(B-A=0\). Así pues, existe un entero positivo fijo \(c\) tal que \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
Definamos las diferencias enteras positivas \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] Para todo \(n\), \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] Esta suma contiene \(d_n\) términos, todos mayores o iguales que \(1\), de modo que \(d_n\le A\). Por lo tanto, las diferencias alcanzan un mínimo \(m\) y un máximo \(M\), con \[ 1\le m\le M\le A. \] Además, el primer término de cada suma (1) es \(d_{s_n}=c\).
Elijamos un índice \(i\) tal que \(d_i=m\). La suma (1) correspondiente tiene como primer término \(c\) y otros \(m-1\) términos, cada uno menor o igual que \(M\). Por tanto, \[ A\le c+(m-1)M. \] Análogamente, al elegir un índice \(j\) tal que \(d_j=M\), obtenemos \[ A\ge c+(M-1)m. \] Estas desigualdades también son válidas cuando una suma no tiene más términos después del primero. Combinándolas, resulta \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] que se simplifica a \(M\le m\). Así pues, \(M=m\), y cada diferencia \(d_n\) es igual a \(m\).
Se deduce que \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] por lo que la sucesión original es una progresión aritmética. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2009 · 问题 3
设 \(s_1,s_2,s_3\cdots\) 是一个严格递增的正整数数列,使得它的两个子数列 \[ s_{s_1},s_{s_2},s_{s_3},\cdots\quad\text{和}\quad s_{s_1+1},s_{s_2+1},s_{s_3+1},\cdots \] 都是等差数列.证明:数列 \(s_1,s_2,s_3\cdots\) 本身也是一个等差数列.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(A\) 和 \(B\) 分别为题设中第一个和第二个等差数列的公差。它们都是正整数。
由于 \(s_n+1\le s_{n+1}\),由严格递增性可得 \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] 因此, \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] 但中间的式子等于 \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] 由于它对所有正整数 \(n\) 都有界,必有 \(B-A=0\)。因此存在一个固定的正整数 \(c\),使得 \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
定义正整数差值 \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] 对每个 \(n\), \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] 这个和包含 \(d_n\) 项,每项都至少为 \(1\),所以 \(d_n\le A\)。因此,这些差值有能够取到的最小值 \(m\) 和最大值 \(M\),且 \[ 1\le m\le M\le A. \] 此外,每个和式 (1) 的第一项都是 \(d_{s_n}=c\)。
选取下标 \(i\),使得 \(d_i=m\)。对应的和式 (1) 的第一项为 \(c\),其余 \(m-1\) 项中的每一项都不超过 \(M\)。因此 \[ A\le c+(m-1)M. \] 类似地,选取下标 \(j\),使得 \(d_j=M\),可得 \[ A\ge c+(M-1)m. \] 当和式除第一项外没有其余项时,这些不等式仍然成立。合并它们,得到 \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] 化简得 \(M\le m\)。于是 \(M=m\),每个差值 \(d_n\) 都等于 \(m\)。
由此可得 \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] 所以原数列是等差数列。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2009 · Задача 3
Дана строго возрастающая последовательность целых положительных чисел \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) такая, что каждая из двух подпоследовательностей \[ s_{s_1},s_{s_2},s_{s_3},\ldots \qquad\text{и}\qquad s_{s_1+1},s_{s_2+1},s_{s_3+1},\ldots \] является арифметической прогрессией. Докажите, что последовательность \(s_1,s_2,s_3,\ldots\) также является арифметической прогрессией.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(A\) и \(B\) — разности первой и второй данных арифметических прогрессий соответственно. Обе разности — целые положительные числа.
Поскольку \(s_n+1\le s_{n+1}\), из строгого возрастания следует \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] Следовательно, \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] Но выражение посередине равно \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] Поскольку оно ограничено при всех целых положительных \(n\), необходимо \(B-A=0\). Таким образом, существует фиксированное целое положительное число \(c\), такое что \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
Определим целые положительные разности \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] Для каждого \(n\) \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] Эта сумма содержит \(d_n\) слагаемых, каждое из которых не меньше \(1\), поэтому \(d_n\le A\). Следовательно, среди этих разностей достигаются наименьшее значение \(m\) и наибольшее значение \(M\), причём \[ 1\le m\le M\le A. \] Кроме того, первое слагаемое в каждой сумме (1) равно \(d_{s_n}=c\).
Выберем индекс \(i\), для которого \(d_i=m\). В соответствующей сумме (1) первое слагаемое равно \(c\), а каждое из \(m-1\) остальных слагаемых не превосходит \(M\). Поэтому \[ A\le c+(m-1)M. \] Аналогично, выбрав индекс \(j\), для которого \(d_j=M\), получаем \[ A\ge c+(M-1)m. \] Эти неравенства верны и в том случае, когда в сумме нет остальных слагаемых. Объединяя их, получаем \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] что после упрощения даёт \(M\le m\). Таким образом, \(M=m\), и каждая разность \(d_n\) равна \(m\).
Отсюда следует, что \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] так что исходная последовательность является арифметической прогрессией. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2009 · المسألة 3
لتكن \(S_1,S_2,S_3,\ldots\) متتالية متزايدة تماماً من الأعداد الصحيحة الموجبة بحيث تكون المتتاليتان الجزئيتان: \[ S_{s_1},S_{s_2},S_{s_3},\ldots \quad\text{و}\quad S_{s_1+1},S_{s_2+1},S_{s_3+1},\ldots \] متتاليتين حسابيتين.
برهن أن المتتالية \(S_1,S_2,S_3,\ldots\) متتالية حسابية كذلك.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(A\) و \(B\) أساسَي المتتاليتين الحسابيتين المعطاتين الأولى والثانية، على الترتيب. وكلاهما عدد صحيح موجب.
بما أن \(s_n+1\le s_{n+1}\)، فإن التزايد التام يعطي \[ s_{s_n}<s_{s_n+1}\le s_{s_{n+1}}. \] وبالتالي، \[ 1\le s_{s_n+1}-s_{s_n}\le A. \] لكن التعبير الأوسط يساوي \[ \bigl(s_{s_1+1}-s_{s_1}\bigr)+(n-1)(B-A). \] ولأنه محدود لجميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\)، فلا بد أن يكون \(B-A=0\). إذن يوجد عدد صحيح موجب ثابت \(c\) بحيث \[ s_{s_n+1}-s_{s_n}=c\qquad(n\ge1). \]
نعرّف الفروق الصحيحة الموجبة \[ d_n=s_{n+1}-s_n. \] لكل \(n\)، \[ A=s_{s_{n+1}}-s_{s_n} =\sum_{k=s_n}^{s_{n+1}-1}d_k. \tag{1} \] يحتوي هذا المجموع على \(d_n\) حداً، وكل منها لا يقل عن \(1\)، ومن ثم \(d_n\le A\). لذلك فإن للفروق قيمة صغرى \(m\) وقيمة عظمى \(M\) تتحققان، حيث \[ 1\le m\le M\le A. \] علاوة على ذلك، فإن الحد الأول في كل مجموع (1) هو \(d_{s_n}=c\).
نختار فهرساً \(i\) بحيث \(d_i=m\). يكون الحد الأول في المجموع (1) الموافق هو \(c\)، وتبقى \(m-1\) حدود، كل منها لا يتجاوز \(M\). ومن ثم \[ A\le c+(m-1)M. \] وبالمثل، باختيار فهرس \(j\) بحيث \(d_j=M\)، نحصل على \[ A\ge c+(M-1)m. \] تصح هاتان المتباينتان أيضاً عندما لا تبقى في المجموع أية حدود. وبالجمع بينهما نحصل على \[ (M-1)m\le(m-1)M, \] وهي تُبسَّط إلى \(M\le m\). إذن \(M=m\)، وكل فرق \(d_n\) يساوي \(m\).
ويترتب على ذلك أن \[ s_n=s_1+(n-1)m\qquad(n\ge1), \] ومن ثم فإن المتتالية الأصلية حسابية. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.