IMO 2011 · Problem 1
Given any set \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\) of four distinct positive integers, we denote the sum \(a_1+a_2+a_3+a_4\) by \(s_A\). Let \(n_A\) denote the number of pairs \((i,j)\) with \(1\le i<j\le4\) for which \(a_i+a_j\) divides \(s_A\). Find all sets \(A\) of four distinct positive integers which achieve the largest possible value of \(n_A\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The largest possible value is \(\boxed{4}\). All sets attaining it are \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{or}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Solution
Write the elements of \(A\) in increasing order as \[ a<b<c<d, \] and put \(S=a+b+c+d\).
Every pair sum is less than \(S\), so any pair sum dividing \(S\) must be at most \(S/2\). Since \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] both \(b+d\) and \(c+d\) exceed \(S/2\). Thus neither divides \(S\), and consequently \[ n_A\le4. \]
We determine all sets for which equality holds, then verify that they attain it.
Suppose \(n_A=4\). The other four pair sums, \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] must all divide \(S\). In particular, \(a+d\) and \(b+c\) are each at most \(S/2\). Their sum is \(S\), so \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
Define the positive integers \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] Because \(a+b<a+c<b+c=S/2\), we have \(p>q\ge3\). Moreover, \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] If \(q\ge4\), then \(p\ge5\), giving \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] a contradiction. Hence \(q=3\), and the strict inequality above becomes \[ \frac1p>\frac16. \] Together with \(p>3\), this gives \(p=4\) or \(p=5\).
If \(p=4\), then \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] Thus \(S=24a\), and \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] Therefore \(A=\{a,5a,7a,11a\}\).
If \(p=5\), similarly, \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] Thus \(S=60a\), and \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] Therefore \(A=\{a,11a,19a,29a\}\).
Finally, both families consist of four distinct positive integers. For \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] the total is \(24k\), and the four pair sums \(6k,8k,12k,12k\) all divide it. For \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] the total is \(60k\), and the four pair sums \(12k,20k,30k,30k\) all divide it. Each repeated sum comes from two different pairs.
Hence both families have \(n_A=4\), proving the maximum and the complete classification.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2011 · Aufgabe 1
Für jede Menge \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\) von vier paarweise verschiedenen positiven ganzen Zahlen, deren Summe \(a_1+a_2+a_3+a_4\) mit \(s_A\) bezeichnet werde, sei \(n_A\) die Anzahl der Paare \((i,j)\) mit \(1\le i<j\le4\), für die \(a_i+a_j\) die Zahl \(s_A\) teilt. Bestimme unter all diesen Mengen \(A\) diejenigen, für die \(n_A\) maximal ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Der größtmögliche Wert ist \(\boxed{4}\). Alle Mengen, die ihn erreichen, sind \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{oder}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Lösung
Wir schreiben die Elemente von \(A\) in aufsteigender Reihenfolge als \[ a<b<c<d, \] und setzen \(S=a+b+c+d\).
Jede Paarsumme ist kleiner als \(S\), also muss jede Paarsumme, die \(S\) teilt, höchstens \(S/2\) sein. Wegen \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] sind sowohl \(b+d\) als auch \(c+d\) größer als \(S/2\). Somit teilt keine von beiden \(S\), und folglich gilt \[ n_A\le4. \]
Wir bestimmen alle Mengen, für die Gleichheit gilt, und überprüfen anschließend, dass sie diese tatsächlich erreichen.
Es gelte \(n_A=4\). Die anderen vier Paarsummen, \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] müssen sämtlich \(S\) teilen. Insbesondere sind \(a+d\) und \(b+c\) jeweils höchstens \(S/2\). Ihre Summe ist \(S\), also gilt \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
Wir definieren die positiven ganzen Zahlen \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] Wegen \(a+b<a+c<b+c=S/2\) gilt \(p>q\ge3\). Außerdem ist \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] Wäre \(q\ge4\), so wäre \(p\ge5\), und damit \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] ein Widerspruch. Also ist \(q=3\), und die obige strenge Ungleichung wird zu \[ \frac1p>\frac16. \] Zusammen mit \(p>3\) ergibt dies \(p=4\) oder \(p=5\).
Ist \(p=4\), so gilt \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] Somit ist \(S=24a\), und \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] Daher ist \(A=\{a,5a,7a,11a\}\).
Ist \(p=5\), so gilt entsprechend \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] Somit ist \(S=60a\), und \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] Daher ist \(A=\{a,11a,19a,29a\}\).
Schließlich bestehen die Mengen beider Familien aus vier verschiedenen positiven ganzen Zahlen. Für \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] ist die Gesamtsumme \(24k\), und die vier Paarsummen \(6k,8k,12k,12k\) teilen sie sämtlich. Für \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] ist die Gesamtsumme \(60k\), und die vier Paarsummen \(12k,20k,30k,30k\) teilen sie sämtlich. Jede doppelt auftretende Summe stammt von zwei verschiedenen Paaren.
Somit gilt für beide Familien \(n_A=4\), womit das Maximum und die vollständige Klassifikation bewiesen sind.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2011 · Soru 1
Dört farklı pozitif tam sayıdan oluşan bir \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\) kümesi için, \(a_1+a_2+a_3+a_4\) toplamını \(s_A\) ile gösteriyoruz. \(1\le i<j\le4\) olmak üzere, \(a_i+a_j\) nin \(s_A\) yı böldüğü \((i,j)\) ikililerinin sayısını da \(n_A\) ile gösterelim. Dört farklı pozitif tam sayıdan oluşan ve \(n_A\) nın alabileceği en büyük değeri almasını sağlayan tüm \(A\) kümelerini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Alınabilecek en büyük değer \(\boxed{4}\) tür. Bu değeri alan tüm kümeler \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{veya}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}} \] biçimindedir.
Çözüm
\(A\) nın elemanlarını artan sırayla \[ a<b<c<d \] olarak yazalım ve \(S=a+b+c+d\) olsun.
Her ikilinin toplamı \(S\) den küçüktür; dolayısıyla \(S\) yi bölen her ikili toplamı en fazla \(S/2\) olabilir. \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b \] olduğundan, hem \(b+d\) hem de \(c+d\), \(S/2\) den büyüktür. Bu nedenle ikisi de \(S\) yi bölmez ve sonuç olarak \[ n_A\le4. \]
Eşitliğin sağlandığı tüm kümeleri belirleyip ardından bu değeri aldıklarını doğrulayacağız.
\(n_A=4\) olduğunu varsayalım. Diğer dört ikili toplamının, \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] hepsinin \(S\) yi bölmesi gerekir. Özellikle, \(a+d\) ve \(b+c\) nin her biri en fazla \(S/2\) dir. Toplamları \(S\) olduğundan \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
Pozitif tam sayılar \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c} \] olarak tanımlansın. \(a+b<a+c<b+c=S/2\) olduğundan \(p>q\ge3\) elde ederiz. Ayrıca, \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] Eğer \(q\ge4\) ise \(p\ge5\) olur ve \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12 \] elde edilir; bu bir çelişkidir. Öyleyse \(q=3\) tür ve yukarıdaki kesin eşitsizlik \[ \frac1p>\frac16 \] haline gelir. Bu, \(p>3\) ile birlikte \(p=4\) veya \(p=5\) verir.
Eğer \(p=4\) ise \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] Dolayısıyla \(S=24a\) ve \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] Böylece \(A=\{a,5a,7a,11a\}\) olur.
Eğer \(p=5\) ise benzer şekilde, \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] Dolayısıyla \(S=60a\) ve \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] Böylece \(A=\{a,11a,19a,29a\}\) olur.
Son olarak, her iki ailedeki kümeler de dört farklı pozitif tam sayıdan oluşur. \[ A=\{k,5k,7k,11k\} \] için toplam \(24k\) dır ve dört ikili toplamı \(6k,8k,12k,12k\) nın hepsi bu toplamı böler. \[ A=\{k,11k,19k,29k\} \] için toplam \(60k\) dır ve dört ikili toplamı \(12k,20k,30k,30k\) nın hepsi bu toplamı böler. Tekrarlanan her toplam iki farklı ikiliden gelir.
Dolayısıyla her iki aile için de \(n_A=4\) tür; böylece en büyük değer ve tüm kümelerin sınıflandırılması kanıtlanmış olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2011 · Problema 1
Para cualquier conjunto \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\) de cuatro enteros positivos distintos se denota la suma \(a_1+a_2+a_3+a_4\) por \(s_A\). Sea \(n_A\) el número de parejas \((i,j)\) con \(1\le i<j\le4\) para las cuales \(a_i+a_j\) divide a \(s_A\). Encontrar todos los conjuntos \(A\) de cuatro enteros positivos distintos para los cuales se alcanza el mayor valor posible de \(n_A\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
El mayor valor posible es \(\boxed{4}\). Todos los conjuntos que lo alcanzan son \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{o}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Solución
Escribamos los elementos de \(A\) en orden creciente como \[ a<b<c<d, \] y pongamos \(S=a+b+c+d\).
Toda suma de dos elementos es menor que \(S\), por lo que cualquier suma de dos elementos que divida a \(S\) debe ser a lo sumo \(S/2\). Como \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] tanto \(b+d\) como \(c+d\) son mayores que \(S/2\). Por tanto, ninguna divide a \(S\), y en consecuencia \[ n_A\le4. \]
Determinaremos todos los conjuntos para los que se cumple la igualdad y después comprobaremos que la alcanzan.
Supongamos que \(n_A=4\). Las otras cuatro sumas de dos elementos, \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] deben dividir todas a \(S\). En particular, tanto \(a+d\) como \(b+c\) son a lo sumo \(S/2\). Su suma es \(S\), de modo que \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
Definamos los enteros positivos \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] Como \(a+b<a+c<b+c=S/2\), tenemos \(p>q\ge3\). Además, \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] Si \(q\ge4\), entonces \(p\ge5\), lo que da \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] una contradicción. Por tanto, \(q=3\), y la desigualdad estricta anterior se convierte en \[ \frac1p>\frac16. \] Junto con \(p>3\), esto da \(p=4\) o \(p=5\).
Si \(p=4\), entonces \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] Así, \(S=24a\), y \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] Por tanto, \(A=\{a,5a,7a,11a\}\).
Si \(p=5\), de manera análoga, \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] Así, \(S=60a\), y \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] Por tanto, \(A=\{a,11a,19a,29a\}\).
Finalmente, ambas familias constan de cuatro enteros positivos distintos. Para \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] la suma total es \(24k\), y las cuatro sumas de dos elementos \(6k,8k,12k,12k\) la dividen todas. Para \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] la suma total es \(60k\), y las cuatro sumas de dos elementos \(12k,20k,30k,30k\) la dividen todas. Cada suma repetida corresponde a dos parejas distintas.
Por consiguiente, ambas familias tienen \(n_A=4\), lo que demuestra el máximo y la clasificación completa.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2011 · 问题 1
对任意由 \(4\) 个不同正整数组成的集合 \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\),记 \(s_A=a_1+a_2+a_3+a_4\),设 \(n_A\) 是满足 \(a_i+a_j(1\le i<j\le4)\) 整除 \(s_A\) 的数对 \((i,j)\) 的个数。求所有由 \(4\) 个不同正整数组成的集合 \(A\),使得 \(n_A\) 达到最大值。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
最大值为 \(\boxed{4}\)。所有达到此最大值的集合为 \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{或}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
解答
将 \(A\) 中的元素按递增顺序记为 \[ a<b<c<d, \] 并令 \(S=a+b+c+d\)。
任意两个元素之和都小于 \(S\),因此,若这样的和整除 \(S\),则它必不超过 \(S/2\)。由于 \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] 所以 \(b+d\) 和 \(c+d\) 都大于 \(S/2\)。因此它们都不能整除 \(S\),从而 \[ n_A\le4. \]
我们先确定所有使等号成立的集合,再验证它们确实达到此上界。
假设 \(n_A=4\)。其余四个两元素之和 \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] 都必须整除 \(S\)。特别地,\(a+d\) 和 \(b+c\) 都不超过 \(S/2\)。它们的和为 \(S\),所以 \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
定义正整数 \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] 因为 \(a+b<a+c<b+c=S/2\),所以 \(p>q\ge3\)。此外, \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] 若 \(q\ge4\),则 \(p\ge5\),从而 \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] 矛盾。因此 \(q=3\),上述严格不等式变为 \[ \frac1p>\frac16. \] 结合 \(p>3\),可得 \(p=4\) 或 \(p=5\)。
若 \(p=4\),则 \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] 于是 \(S=24a\),且 \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] 因此 \(A=\{a,5a,7a,11a\}\)。
若 \(p=5\),同理, \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] 于是 \(S=60a\),且 \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] 因此 \(A=\{a,11a,19a,29a\}\)。
最后,这两类集合都由四个不同的正整数组成。对于 \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] 总和为 \(24k\),而四个两元素之和 \(6k,8k,12k,12k\) 都整除它。对于 \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] 总和为 \(60k\),而四个两元素之和 \(12k,20k,30k,30k\) 都整除它。每个重复出现的和都对应两个不同的数对。
因此,两类集合都满足 \(n_A=4\),这就证明了最大值,并给出了全部符合条件的集合。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2011 · Задача 1
Для множества \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\), состоящего из четырех попарно различных целых положительных чисел, обозначим через \(s_A\) сумму \(a_1+a_2+a_3+a_4\). Через \(n_A\) обозначим количество пар индексов \((i,j)\), \(1\le i<j\le4\), для которых \(s_A\) делится на \(a_i+a_j\). Найдите все множества \(A\), состоящие из четырех попарно различных целых положительных чисел, для которых \(n_A\) принимает наибольшее возможное значение.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Наибольшее возможное значение равно \(\boxed{4}\). Все множества, на которых оно достигается, имеют вид \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{или}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
Решение
Запишем элементы \(A\) в порядке возрастания: \[ a<b<c<d, \] и положим \(S=a+b+c+d\).
Сумма любой пары меньше \(S\), поэтому, если она делит \(S\), она не превосходит \(S/2\). Поскольку \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] обе суммы \(b+d\) и \(c+d\) превосходят \(S/2\). Значит, ни одна из них не делит \(S\), и, следовательно, \[ n_A\le4. \]
Найдем все множества, для которых выполняется равенство, а затем проверим, что на них оно действительно достигается.
Предположим, что \(n_A=4\). Остальные четыре суммы пар, \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] должны делить \(S\). В частности, каждая из сумм \(a+d\) и \(b+c\) не превосходит \(S/2\). Их сумма равна \(S\), поэтому \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
Определим положительные целые числа \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] Поскольку \(a+b<a+c<b+c=S/2\), имеем \(p>q\ge3\). Кроме того, \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] Если \(q\ge4\), то \(p\ge5\), откуда \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] что приводит к противоречию. Следовательно, \(q=3\), и полученное выше строгое неравенство принимает вид \[ \frac1p>\frac16. \] Вместе с \(p>3\) это дает \(p=4\) или \(p=5\).
Если \(p=4\), то \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] Таким образом, \(S=24a\), и \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] Следовательно, \(A=\{a,5a,7a,11a\}\).
Если \(p=5\), то аналогично \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] Таким образом, \(S=60a\), и \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] Следовательно, \(A=\{a,11a,19a,29a\}\).
Наконец, множества обоих семейств состоят из четырех различных положительных целых чисел. Для \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] сумма всех элементов равна \(24k\), и все четыре суммы пар \(6k,8k,12k,12k\) делят ее. Для \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] сумма всех элементов равна \(60k\), и все четыре суммы пар \(12k,20k,30k,30k\) делят ее. Каждая повторяющаяся сумма соответствует двум различным парам.
Итак, для множеств обоих семейств \(n_A=4\), что доказывает и максимальность этого значения, и полноту классификации.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2011 · المسألة 1
لكل مجموعة \(A=\{a_1,a_2,a_3,a_4\}\) مكونة من أربعة أعداد صحيحة موجبة و مختلفة، نجعل \(S_A=a_1+a_2+a_3+a_4\). ليكن \(n_A\) عدد الأزواج \((i,j)\) حيث \(1\le i<j\le4\) بحيث \(a_i+a_j\) يقسم \(S_A\). جد جميع المجموعات \(A\) المكونة من أربعة أعداد صحيحة مختلفة و التي تجعل \(n_A\) أكبر ما يمكن.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
أكبر قيمة ممكنة هي \(\boxed{4}\). وجميع المجموعات التي تحققها هي \[ \boxed{A=\{k,5k,7k,11k\}\quad\text{أو}\quad A=\{k,11k,19k,29k\},\qquad k\in\mathbb Z_{>0}.} \]
الحل
نكتب عناصر \(A\) بترتيب تصاعدي على الصورة \[ a<b<c<d, \] ونضع \(S=a+b+c+d\).
كل مجموع لعنصرين أصغر من \(S\)، لذا فإن أي مجموع لعنصرين يقسم \(S\) يجب ألا يتجاوز \(S/2\). وبما أن \[ b+d>a+c,\qquad c+d>a+b, \] فإن كلا المجموعين \(b+d\) و\(c+d\) أكبر من \(S/2\). ومن ثم لا يقسم أي منهما \(S\)، وبالتالي \[ n_A\le4. \]
نحدد جميع المجموعات التي تتحقق عندها المساواة، ثم نتحقق من أنها تحققها بالفعل.
لنفترض أن \(n_A=4\). يجب أن تقسم المجاميع الأربعة الأخرى لعنصرين، وهي \[ a+b,\quad a+c,\quad a+d,\quad b+c, \] العدد \(S\) جميعها. وعلى وجه الخصوص، لا يتجاوز أي من \(a+d\) و\(b+c\) العدد \(S/2\). ومجموعهما هو \(S\)، لذا \[ a+d=b+c=\frac S2. \]
نعرّف العددين الصحيحين الموجبين \[ p=\frac{S}{a+b},\qquad q=\frac{S}{a+c}. \] بما أن \(a+b<a+c<b+c=S/2\)، فإن \(p>q\ge3\). كذلك، \[ \frac1p+\frac1q =\frac{(a+b)+(a+c)}{S} =\frac{2a+b+c}{S} =\frac12+\frac{2a}{S} >\frac12. \] إذا كان \(q\ge4\)، فإن \(p\ge5\)، ومنه \[ \frac1p+\frac1q\le\frac15+\frac14=\frac9{20}<\frac12, \] وهذا تناقض. إذن \(q=3\)، وتصبح المتباينة الصارمة أعلاه \[ \frac1p>\frac16. \] وبالجمع بينها وبين \(p>3\)، نحصل على \(p=4\) أو \(p=5\).
إذا كان \(p=4\)، فإن \[ 2a=(a+b)+(a+c)-(b+c) =\frac S4+\frac S3-\frac S2 =\frac S{12}. \] إذن \(S=24a\)، و \[ b=\frac S4-a=5a,\qquad c=\frac S3-a=7a,\qquad d=\frac S2-a=11a. \] وعليه \(A=\{a,5a,7a,11a\}\).
إذا كان \(p=5\)، فبالمثل، \[ 2a=\frac S5+\frac S3-\frac S2=\frac S{30}. \] إذن \(S=60a\)، و \[ b=\frac S5-a=11a,\qquad c=\frac S3-a=19a,\qquad d=\frac S2-a=29a. \] وعليه \(A=\{a,11a,19a,29a\}\).
أخيرًا، تتكون كل مجموعة في كلتا العائلتين من أربعة أعداد صحيحة موجبة مختلفة. بالنسبة إلى \[ A=\{k,5k,7k,11k\}, \] فإن المجموع الكلي هو \(24k\)، وتقسمه المجاميع الأربعة لعنصرين \(6k,8k,12k,12k\) جميعها. وبالنسبة إلى \[ A=\{k,11k,19k,29k\}, \] فإن المجموع الكلي هو \(60k\)، وتقسمه المجاميع الأربعة لعنصرين \(12k,20k,30k,30k\) جميعها. وينشأ كل مجموع مكرر من زوجين مختلفين.
إذن يتحقق \(n_A=4\) لكلتا العائلتين، وبذلك تثبت القيمة العظمى والتصنيف الكامل.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.