IMO 2010 · Problem 3
Let \(\mathbb{N}\) be the set of positive integers. Determine all functions \(g:\mathbb{N}\to\mathbb{N}\) such that \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] is a perfect square for all \(m,n\in\mathbb{N}\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Exactly the functions \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{for all }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
Solution
For a prime \(p\) and a positive integer \(x\), let \(v_p(x)\) denote the exponent of \(p\) in the prime factorization of \(x\). A perfect square has even \(v_p\) for every prime \(p\).
We first prove that, for every prime \(p\) and all positive integers \(a,b\), \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
Suppose \(p\mid g(a)-g(b)\), and write \(A=g(a)\), \(B=g(b)\). We can choose a positive integer \(n\) such that both \(v_p(A+n)\) and \(v_p(B+n)\) are odd:
-
If \(A\equiv B\pmod{p^2}\), choose \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] Then both valuations equal \(1\).
-
Otherwise, \(p\mid B-A\) but \(p^2\nmid B-A\). Choose \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] Then \(v_p(A+n)=3\), while \(v_p(B+n)=1\).
Each congruence has positive integer solutions. By the hypothesis, both \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{and}\quad (B+n)(b+g(n)) \] are perfect squares. Since their first factors have odd \(p\)-adic valuations, their second factors must also have odd \(p\)-adic valuations. In particular, \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] Subtracting proves (1).
Next, \(g\) is injective. Indeed, if \(g(a)=g(b)\) with \(a\ne b\), choose a prime divisor \(p\) of \(|a-b|+1\). Then (1) gives \(p\mid a-b\), which is impossible because \(p\) also divides \(|a-b|+1\).
For every \(n\), injectivity gives \(g(n+1)-g(n)\ne0\). If its absolute value were greater than \(1\), it would have a prime divisor \(p\), and (1) would imply \(p\mid(n+1)-n=1\), a contradiction. Therefore \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
Two successive differences in (2) cannot have opposite signs, since that would give \(g(n+2)=g(n)\), contradicting injectivity. Thus all the differences have the same sign. They cannot all equal \(-1\), since then \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] contrary to the positive-integer codomain. Hence every difference equals \(1\), and \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
Conversely, for any nonnegative integer \(c\), the function \(g(n)=n+c\) maps \(\mathbb{N}\) to itself and satisfies \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] Thus every listed function satisfies the condition.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2010 · Aufgabe 3
Es sei \(\mathbb N\) die Menge der positiven ganzen Zahlen. Man bestimme alle Funktionen \(g:\mathbb N\to\mathbb N\), so dass die Zahl \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] für alle \(m,n\in\mathbb N\) eine Quadratzahl ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau die Funktionen \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{für alle }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
Lösung
Für eine Primzahl \(p\) und eine positive ganze Zahl \(x\) bezeichne \(v_p(x)\) den Exponenten von \(p\) in der Primfaktorzerlegung von \(x\). Bei einer Quadratzahl ist \(v_p\) für jede Primzahl \(p\) gerade.
Wir beweisen zunächst, dass für jede Primzahl \(p\) und alle positiven ganzen Zahlen \(a,b\) gilt: \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
Es gelte \(p\mid g(a)-g(b)\), und wir schreiben \(A=g(a)\), \(B=g(b)\). Wir können eine positive ganze Zahl \(n\) so wählen, dass sowohl \(v_p(A+n)\) als auch \(v_p(B+n)\) ungerade sind:
-
Ist \(A\equiv B\pmod{p^2}\), so wählen wir \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] Dann sind beide Bewertungen gleich \(1\).
-
Andernfalls gilt \(p\mid B-A\), aber \(p^2\nmid B-A\). Wir wählen \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] Dann ist \(v_p(A+n)=3\), während \(v_p(B+n)=1\).
Jede Kongruenz hat positive ganzzahlige Lösungen. Nach Voraussetzung sind sowohl \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{als auch}\quad (B+n)(b+g(n)) \] Quadratzahlen. Da ihre ersten Faktoren ungerade \(p\)-adische Bewertungen haben, müssen auch ihre zweiten Faktoren ungerade \(p\)-adische Bewertungen haben. Insbesondere gilt \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] Durch Subtraktion folgt (1).
Als Nächstes zeigen wir, dass \(g\) injektiv ist. Gilt nämlich \(g(a)=g(b)\) mit \(a\ne b\), so wählen wir einen Primteiler \(p\) von \(|a-b|+1\). Dann ergibt (1), dass \(p\mid a-b\), was unmöglich ist, da \(p\) auch \(|a-b|+1\) teilt.
Für jedes \(n\) folgt aus der Injektivität \(g(n+1)-g(n)\ne0\). Wäre der Betrag dieser Differenz größer als \(1\), so hätte sie einen Primteiler \(p\), und (1) würde \(p\mid(n+1)-n=1\) liefern, ein Widerspruch. Daher gilt \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
Zwei aufeinanderfolgende Differenzen in (2) können keine entgegengesetzten Vorzeichen haben, denn daraus würde \(g(n+2)=g(n)\) folgen, im Widerspruch zur Injektivität. Somit haben alle Differenzen dasselbe Vorzeichen. Sie können nicht alle gleich \(-1\) sein, denn dann wäre \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] im Widerspruch dazu, dass die Zielmenge aus positiven ganzen Zahlen besteht. Also ist jede Differenz gleich \(1\), und es gilt \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
Umgekehrt bildet für jede nichtnegative ganze Zahl \(c\) die Funktion \(g(n)=n+c\) die Menge \(\mathbb{N}\) in sich ab und erfüllt \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] Somit erfüllt jede angegebene Funktion die Bedingung.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2010 · Soru 3
\(\mathbb Z^+\) ile pozitif tam sayılar kümesini gösterelim. Her \(m,n\in\mathbb Z^+\) için, \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] sayısının tam kare olmasını sağlayan tüm \(g:\mathbb Z^+\to\mathbb Z^+\) fonksiyonlarını belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak şu fonksiyonlardır: \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{tüm }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
Çözüm
Bir \(p\) asal sayısı ve bir \(x\) pozitif tam sayısı için, \(v_p(x)\), \(x\) in asal çarpanlarına ayrılışında \(p\) nin üssünü göstersin. Bir tam karenin \(v_p\) değeri her \(p\) asal sayısı için çifttir.
Önce, her \(p\) asal sayısı ve tüm \(a,b\) pozitif tam sayıları için \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b \tag{1} \] olduğunu kanıtlayalım.
\(p\mid g(a)-g(b)\) olduğunu varsayalım ve \(A=g(a)\), \(B=g(b)\) yazalım. Hem \(v_p(A+n)\) hem de \(v_p(B+n)\) tek olacak biçimde bir \(n\) pozitif tam sayısı seçebiliriz:
-
Eğer \(A\equiv B\pmod{p^2}\) ise \[ n\equiv p-A\pmod{p^2} \] olacak biçimde seçelim. O zaman her iki değerleme de \(1\) e eşittir.
-
Aksi halde, \(p\mid B-A\) fakat \(p^2\nmid B-A\) olur. \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4} \] olacak biçimde seçelim. O zaman \(v_p(A+n)=3\), buna karşılık \(v_p(B+n)=1\) olur.
Her bir kongrüansın pozitif tam sayı çözümleri vardır. Varsayım gereği, hem \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{hem de}\quad (B+n)(b+g(n)) \] tam karedir. İlk çarpanlarının \(p\)-adik değerlemeleri tek olduğundan, ikinci çarpanlarının \(p\)-adik değerlemeleri de tek olmalıdır. Özel olarak, \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] Çıkarma işlemi (1) i kanıtlar.
Şimdi, \(g\) bire birdir. Gerçekten, \(a\ne b\) iken \(g(a)=g(b)\) olsaydı, \(|a-b|+1\) sayısının bir \(p\) asal bölenini seçerdik. O zaman (1), \(p\mid a-b\) sonucunu verir; bu ise imkânsızdır, çünkü \(p\) aynı zamanda \(|a-b|+1\) sayısını da böler.
Her \(n\) için, bire birlikten \(g(n+1)-g(n)\ne0\) elde edilir. Bu farkın mutlak değeri \(1\) den büyük olsaydı, bir \(p\) asal böleni olurdu ve (1) den \(p\mid(n+1)-n=1\) elde edilirdi; bu bir çelişkidir. Dolayısıyla \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
(2) deki ardışık iki fark zıt işaretli olamaz; çünkü bu durumda \(g(n+2)=g(n)\) olur ve bire birlikle çelişir. Dolayısıyla tüm farklar aynı işaretlidir. Hepsi \(-1\) e eşit olamaz; çünkü o zaman \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] olur ve bu, değer kümesinin pozitif tam sayılardan oluşmasıyla çelişir. Öyleyse her fark \(1\) e eşittir ve \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
Tersine, negatif olmayan herhangi bir \(c\) tam sayısı için, \(g(n)=n+c\) fonksiyonu \(\mathbb{N}\) yi kendisine götürür ve \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2 \] eşitliğini sağlar. Böylece listelenen her fonksiyon koşulu sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2010 · Problema 3
Sea \(\mathbb N\) el conjunto de los enteros positivos. Determine todas las funciones \(g:\mathbb N\to\mathbb N\) tales que \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] es un cuadrado perfecto para todo \(m,n\in\mathbb N\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente las funciones \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{para todo }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
Solución
Para un primo \(p\) y un entero positivo \(x\), sea \(v_p(x)\) el exponente de \(p\) en la descomposición en factores primos de \(x\). Un cuadrado perfecto tiene \(v_p\) par para todo primo \(p\).
Demostraremos primero que, para todo primo \(p\) y todos los enteros positivos \(a,b\), \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
Supongamos que \(p\mid g(a)-g(b)\), y escribamos \(A=g(a)\), \(B=g(b)\). Podemos elegir un entero positivo \(n\) tal que tanto \(v_p(A+n)\) como \(v_p(B+n)\) sean impares:
-
Si \(A\equiv B\pmod{p^2}\), elegimos \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] Entonces ambas valuaciones son iguales a \(1\).
-
En caso contrario, \(p\mid B-A\) pero \(p^2\nmid B-A\). Elegimos \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] Entonces \(v_p(A+n)=3\), mientras que \(v_p(B+n)=1\).
Cada congruencia tiene soluciones enteras positivas. Por hipótesis, tanto \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{como}\quad (B+n)(b+g(n)) \] son cuadrados perfectos. Como sus primeros factores tienen valuaciones \(p\)-ádicas impares, sus segundos factores también deben tener valuaciones \(p\)-ádicas impares. En particular, \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] Restando, se demuestra (1).
A continuación, \(g\) es inyectiva. En efecto, si \(g(a)=g(b)\) con \(a\ne b\), elegimos un divisor primo \(p\) de \(|a-b|+1\). Entonces (1) da \(p\mid a-b\), lo cual es imposible porque \(p\) también divide a \(|a-b|+1\).
Para todo \(n\), la inyectividad da \(g(n+1)-g(n)\ne0\). Si su valor absoluto fuera mayor que \(1\), tendría un divisor primo \(p\), y (1) implicaría \(p\mid(n+1)-n=1\), una contradicción. Por tanto, \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
Dos diferencias sucesivas en (2) no pueden tener signos opuestos, pues eso daría \(g(n+2)=g(n)\), contradiciendo la inyectividad. Así, todas las diferencias tienen el mismo signo. No pueden ser todas iguales a \(-1\), pues entonces \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] en contradicción con que el codominio es el conjunto de los enteros positivos. Por tanto, todas las diferencias son iguales a \(1\), y \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
Recíprocamente, para cualquier entero no negativo \(c\), la función \(g(n)=n+c\) lleva \(\mathbb{N}\) en sí mismo y satisface \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] Así, todas las funciones indicadas satisfacen la condición.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2010 · 问题 3
设 \(\mathbb N\) 是所有正整数构成的集合。求所有的函数 \(g:\mathbb N\to\mathbb N\),使得对所有 \(m,n\in\mathbb N\), \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] 是一个完全平方数。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
恰为以下函数 \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{对所有 }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
解答
对于素数 \(p\) 和正整数 \(x\),用 \(v_p(x)\) 表示 \(x\) 的素因数分解中 \(p\) 的指数。完全平方数对于每个素数 \(p\) 的 \(v_p\) 均为偶数。
我们先证明,对于每个素数 \(p\) 和任意正整数 \(a,b\),都有 \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
假设 \(p\mid g(a)-g(b)\),并记 \(A=g(a)\)、\(B=g(b)\)。我们可以选取正整数 \(n\),使得 \(v_p(A+n)\) 和 \(v_p(B+n)\) 均为奇数:
-
若 \(A\equiv B\pmod{p^2}\),则选取 \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] 此时两个赋值均等于 \(1\)。
-
否则,\(p\mid B-A\),但 \(p^2\nmid B-A\)。选取 \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] 此时 \(v_p(A+n)=3\),而 \(v_p(B+n)=1\)。
每个同余式都有正整数解。由题设, \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{和}\quad (B+n)(b+g(n)) \] 均为完全平方数。由于它们的第一个因子的 \(p\) 进赋值为奇数,其第二个因子的 \(p\) 进赋值也必为奇数。特别地, \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] 相减即证得 (1)。
接着,\(g\) 是单射。事实上,若 \(g(a)=g(b)\) 且 \(a\ne b\),取 \(|a-b|+1\) 的一个素因子 \(p\)。由 (1) 得 \(p\mid a-b\),这不可能,因为 \(p\) 也整除 \(|a-b|+1\)。
对于每个 \(n\),由单射性可知 \(g(n+1)-g(n)\ne0\)。若其绝对值大于 \(1\),则它有一个素因子 \(p\),而 (1) 将给出 \(p\mid(n+1)-n=1\),矛盾。因此 \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
(2) 中相邻的两个差不能异号,否则将有 \(g(n+2)=g(n)\),与单射性矛盾。因此,所有的差均同号。它们不可能全都等于 \(-1\),否则 \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] 这与函数的值域包含于正整数集矛盾。所以每个差都等于 \(1\),且 \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
反之,对于任意非负整数 \(c\),函数 \(g(n)=n+c\) 将 \(\mathbb{N}\) 映射到自身,并满足 \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] 因此,列出的每个函数都满足条件。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2010 · Задача 3
Обозначим через \(\mathbb N\) множество всех целых положительных чисел. Найдите все функции \(g:\mathbb N\to\mathbb N\) такие, что число \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] является точным квадратом при любых \(m,n\in\mathbb N\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В точности функции \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{для всех }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
Решение
Для простого числа \(p\) и целого положительного числа \(x\) обозначим через \(v_p(x)\) показатель степени \(p\) в разложении \(x\) на простые множители. У точного квадрата значение \(v_p\) чётно для каждого простого \(p\).
Сначала докажем, что для каждого простого \(p\) и любых целых положительных \(a,b\) \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
Предположим, что \(p\mid g(a)-g(b)\), и обозначим \(A=g(a)\), \(B=g(b)\). Можно выбрать целое положительное число \(n\) так, чтобы оба значения \(v_p(A+n)\) и \(v_p(B+n)\) были нечётными:
-
Если \(A\equiv B\pmod{p^2}\), выберем \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] Тогда оба показателя равны \(1\).
-
В противном случае \(p\mid B-A\), но \(p^2\nmid B-A\). Выберем \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] Тогда \(v_p(A+n)=3\), а \(v_p(B+n)=1\).
Каждое из этих сравнений имеет целые положительные решения. По условию оба числа \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{и}\quad (B+n)(b+g(n)) \] являются точными квадратами. Поскольку показатели степени \(p\) в их первых множителях нечётны, показатели степени \(p\) во вторых множителях также должны быть нечётными. В частности, \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] Вычитая, получаем (1).
Далее, \(g\) инъективна. Действительно, если \(g(a)=g(b)\) при \(a\ne b\), выберем простой делитель \(p\) числа \(|a-b|+1\). Тогда из (1) следует \(p\mid a-b\), что невозможно, поскольку \(p\) делит также \(|a-b|+1\).
Для каждого \(n\) из инъективности следует \(g(n+1)-g(n)\ne0\). Если бы модуль этой разности был больше \(1\), у неё нашёлся бы простой делитель \(p\), и из (1) следовало бы \(p\mid(n+1)-n=1\), что приводит к противоречию. Поэтому \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
Две последовательные разности в (2) не могут иметь противоположные знаки, поскольку тогда \(g(n+2)=g(n)\), что противоречит инъективности. Значит, все разности имеют один и тот же знак. Они не могут все равняться \(-1\), поскольку тогда \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] вопреки тому, что значения функции — целые положительные числа. Следовательно, каждая разность равна \(1\), и \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
Обратно, для любого целого неотрицательного \(c\) функция \(g(n)=n+c\) отображает \(\mathbb{N}\) в себя и удовлетворяет равенству \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] Таким образом, каждая из указанных функций удовлетворяет условию.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2010 · المسألة 3
لتكن \(\mathbb N\) مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة. أوجد جميع الدوال \(g:\mathbb N\longrightarrow\mathbb N\) التي تجعل العدد \[ (g(m)+n)(m+g(n)) \] مربعاً كاملاً لكل \(n,m\in\mathbb N\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الدوال هي بالضبط \[ \boxed{g(n)=n+c\quad\text{لكل }n\in\mathbb{N},\qquad c\in\mathbb{Z}_{\ge0}.} \]
الحل
لعدد أولي \(p\) وعدد صحيح موجب \(x\)، ليكن \(v_p(x)\) أسَّ \(p\) في تحليل \(x\) إلى عوامل أولية. في المربع الكامل تكون قيمة \(v_p\) زوجية لكل عدد أولي \(p\).
نثبت أولًا أنه لكل عدد أولي \(p\) ولكل عددين صحيحين موجبين \(a,b\)، \[ p\mid g(a)-g(b)\quad\Longrightarrow\quad p\mid a-b. \tag{1} \]
لنفترض أن \(p\mid g(a)-g(b)\)، ولنكتب \(A=g(a)\)، و\(B=g(b)\). يمكننا اختيار عدد صحيح موجب \(n\) بحيث تكون كل من \(v_p(A+n)\) و\(v_p(B+n)\) فردية:
-
إذا كان \(A\equiv B\pmod{p^2}\)، نختار \[ n\equiv p-A\pmod{p^2}. \] عندئذ تساوي كلتا القيمتين \(1\).
-
خلاف ذلك، يكون \(p\mid B-A\) لكن \(p^2\nmid B-A\). نختار \[ n\equiv p^3-A\pmod{p^4}. \] عندئذ \(v_p(A+n)=3\)، بينما \(v_p(B+n)=1\).
لكل من هاتين الموافقتين حلول صحيحة موجبة. وبحسب الفرض، فإن كلًّا من \[ (A+n)(a+g(n)) \quad\text{و}\quad (B+n)(b+g(n)) \] مربع كامل. ولأن أسَّ \(p\) في العامل الأول لكل منهما فردي، فلا بد أن يكون أسُّ \(p\) في العامل الثاني لكل منهما فرديًّا أيضًا. وعلى وجه الخصوص، \[ p\mid a+g(n),\qquad p\mid b+g(n). \] وبالطرح نحصل على (1).
بعد ذلك، فإن \(g\) متباينة. بالفعل، إذا كان \(g(a)=g(b)\) مع \(a\ne b\)، نختار قاسمًا أوليًّا \(p\) للعدد \(|a-b|+1\). عندئذ تعطي (1) أن \(p\mid a-b\)، وهذا مستحيل لأن \(p\) يقسم أيضًا \(|a-b|+1\).
لكل \(n\)، ينتج من تباين الدالة أن \(g(n+1)-g(n)\ne0\). ولو كانت القيمة المطلقة لهذا الفرق أكبر من \(1\)، لكان له قاسم أولي \(p\)، ولنتج من (1) أن \(p\mid(n+1)-n=1\)، وهذا تناقض. لذلك \[ g(n+1)-g(n)\in\{-1,1\}\qquad(n\in\mathbb{N}). \tag{2} \]
لا يمكن أن يكون لفرقين متتاليين في (2) إشارتان متعاكستان، لأن ذلك يعطي \(g(n+2)=g(n)\)، مما يناقض تباين الدالة. إذن جميع الفروق لها الإشارة نفسها. ولا يمكن أن تساوي جميعها \(-1\)، إذ عندئذ \[ g\bigl(g(1)+1\bigr)=0, \] وهذا يناقض كون المجال المقابل هو الأعداد الصحيحة الموجبة. ومن ثم كل فرق يساوي \(1\)، و \[ g(n)=g(1)+n-1=n+c, \qquad c=g(1)-1\ge0. \]
وبالعكس، لكل عدد صحيح غير سالب \(c\)، فإن الدالة \(g(n)=n+c\) تحول \(\mathbb{N}\) إلى نفسها وتحقق \[ (g(m)+n)(m+g(n))=(m+n+c)^2. \] إذن كل دالة واردة في الإجابة تحقق الشرط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.