IMO 2011 · Problem 5
Let \(f\) be a function from the set of integers to the set of positive integers. Suppose that, for any two integers \(m\) and \(n\), the difference \(f(m)-f(n)\) is divisible by \(f(m-n)\). Prove that, for all integers \(m\) and \(n\) with \(f(m)\le f(n)\), the number \(f(n)\) is divisible by \(f(m)\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Fix integers \(m,n\) with \(f(m)\le f(n)\). If \(f(m)=f(n)\), the conclusion is immediate. Otherwise, write \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] so that \(0<a<b\).
The hypothesis gives \(d\mid b-a\). Since \(b-a\) is positive, \[ 0<d\le b-a<b. \] Applying the hypothesis to the two integers \(m\) and \(m-n\), we also obtain \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] that is, \[ b\mid a-d. \] But \(0<a<b\) and \(0<d<b\), so \(\lvert a-d\rvert<b\). The only multiple of \(b\) with absolute value less than \(b\) is zero; hence \(a=d\).
Therefore \(a\mid b-a\), which implies \(a\mid b\). Thus \(f(m)\mid f(n)\), as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2011 · Aufgabe 5
Sei \(f\) eine Funktion, die die Menge der ganzen Zahlen in die Menge der positiven ganzen Zahlen abbildet. Für je zwei ganze Zahlen \(m\) und \(n\) sei die Differenz \(f(m)-f(n)\) durch \(f(m-n)\) teilbar. Man beweise für alle ganzen Zahlen \(m,n\) mit \(f(m)\le f(n)\), dass \(f(n)\) durch \(f(m)\) teilbar ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen feste ganze Zahlen \(m,n\) mit \(f(m)\le f(n)\). Ist \(f(m)=f(n)\), so folgt die Behauptung unmittelbar. Andernfalls schreiben wir \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] sodass \(0<a<b\) gilt.
Die Voraussetzung liefert \(d\mid b-a\). Da \(b-a\) positiv ist, gilt \[ 0<d\le b-a<b. \] Wenden wir die Voraussetzung auf die beiden ganzen Zahlen \(m\) und \(m-n\) an, so erhalten wir außerdem \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] das heißt, \[ b\mid a-d. \] Es gelten aber \(0<a<b\) und \(0<d<b\), also ist \(\lvert a-d\rvert<b\). Das einzige Vielfache von \(b\), dessen Betrag kleiner als \(b\) ist, ist null; daher gilt \(a=d\).
Somit gilt \(a\mid b-a\), woraus \(a\mid b\) folgt. Also gilt \(f(m)\mid f(n)\), wie behauptet. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2011 · Soru 5
\(\mathbb Z\) tam sayılar kümesini ve \(\mathbb Z^+\) pozitif tam sayılar kümesini göstermek üzere, \(f:\mathbb Z\to\mathbb Z^+\) bir fonksiyon olsun. Tüm \(m,n\) tam sayıları için, \(f(m)-f(n)\) farkının \(f(m-n)\) ile bölündüğünü varsayalım. \(f(m)\le f(n)\) koşulunu sağlayan tüm \(m,n\) tam sayıları için, \(f(n)\) sayısının \(f(m)\) ile bölündüğünü kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(f(m)\le f(n)\) koşulunu sağlayan \(m,n\) tam sayılarını sabitleyelim. \(f(m)=f(n)\) ise sonuç açıktır. Aksi halde, \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n) \] yazalım; böylece \(0<a<b\) olur.
Varsayım \(d\mid b-a\) verir. \(b-a\) pozitif olduğundan, \[ 0<d\le b-a<b. \] Varsayımı \(m\) ve \(m-n\) tam sayılarına uygulayarak ayrıca \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] yani, \[ b\mid a-d \] elde ederiz. Ancak \(0<a<b\) ve \(0<d<b\) olduğundan \(\lvert a-d\rvert<b\) dir. \(b\) nin mutlak değeri \(b\) den küçük olan tek katı sıfırdır; dolayısıyla \(a=d\) olur.
Bu nedenle \(a\mid b-a\) dır; buradan \(a\mid b\) çıkar. Böylece, istendiği gibi, \(f(m)\mid f(n)\) elde edilir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2011 · Problema 5
Sea \(f\) una función del conjunto de los enteros al conjunto de los enteros positivos. Se supone que para cualesquiera dos enteros \(m\) y \(n\), la diferencia \(f(m)-f(n)\) es divisible por \(f(m-n)\). Demostrar que para todos los enteros \(m\) y \(n\) con \(f(m)\le f(n)\), el número \(f(n)\) es divisible por \(f(m)\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Fijemos enteros \(m,n\) con \(f(m)\le f(n)\). Si \(f(m)=f(n)\), la conclusión es inmediata. En caso contrario, escribamos \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] de modo que \(0<a<b\).
La hipótesis da \(d\mid b-a\). Como \(b-a\) es positivo, \[ 0<d\le b-a<b. \] Aplicando la hipótesis a los dos enteros \(m\) y \(m-n\), obtenemos también \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] es decir, \[ b\mid a-d. \] Pero \(0<a<b\) y \(0<d<b\), por lo que \(\lvert a-d\rvert<b\). El único múltiplo de \(b\) cuyo valor absoluto es menor que \(b\) es cero; por tanto, \(a=d\).
En consecuencia, \(a\mid b-a\), lo que implica \(a\mid b\). Así, \(f(m)\mid f(n)\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2011 · 问题 5
设 \(f\) 是一个定义在整数集上取值为正整数的函数,已知对任意两个整数 \(m,n\),差 \(f(m)-f(n)\) 能被 \(f(m-n)\) 整除。证明:对所有整数 \(m\),\(n\),若 \(f(m)\le f(n)\),则 \(f(n)\) 被 \(f(m)\) 整除。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
固定满足 \(f(m)\le f(n)\) 的整数 \(m,n\)。若 \(f(m)=f(n)\),结论显然成立。否则,记 \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] 于是 \(0<a<b\)。
由题设可得 \(d\mid b-a\)。由于 \(b-a\) 为正数, \[ 0<d\le b-a<b. \] 对两个整数 \(m\) 和 \(m-n\) 应用题设条件,还可得到 \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] 即 \[ b\mid a-d. \] 但是 \(0<a<b\) 且 \(0<d<b\),所以 \(\lvert a-d\rvert<b\)。绝对值小于 \(b\) 的 \(b\) 的倍数只有零,因此 \(a=d\)。
于是 \(a\mid b-a\),从而 \(a\mid b\)。所以 \(f(m)\mid f(n)\),即为所证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2011 · Задача 5
Пусть \(f\) — функция, определенная на множестве целых чисел, принимающая целые положительные значения. Известно, что для любых целых \(m\) и \(n\) разность \(f(m)-f(n)\) делится на \(f(m-n)\). Докажите, что для любых целых \(m\) и \(n\) таких что \(f(m)\le f(n)\), число \(f(n)\) делится на \(f(m)\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Зафиксируем целые числа \(m,n\), для которых \(f(m)\le f(n)\). Если \(f(m)=f(n)\), утверждение очевидно. В противном случае положим \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] так что \(0<a<b\).
По условию \(d\mid b-a\). Поскольку \(b-a\) положительно, \[ 0<d\le b-a<b. \] Применяя условие к двум целым числам \(m\) и \(m-n\), также получаем \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] то есть \[ b\mid a-d. \] Но \(0<a<b\) и \(0<d<b\), поэтому \(\lvert a-d\rvert<b\). Единственное кратное \(b\), модуль которого меньше \(b\), — это нуль; следовательно, \(a=d\).
Таким образом, \(a\mid b-a\), откуда \(a\mid b\). Значит, \(f(m)\mid f(n)\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2011 · المسألة 5
لتكن \(f\) دالة من مجموعة الأعداد الصحيحة إلى مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة. لنفرض أنه لكل عددين صحيحين \(m\) و \(n\)، المقدار \(f(m)-f(n)\) يقبل القسمة على \(f(m-n)\). لكل الأعداد الصحيحة \(m\) و \(n\) بحيث \(f(m)\le f(n)\)، برهن أن العدد \(f(n)\) يقبل القسمة على \(f(m)\)،
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبّت عددين صحيحين \(m,n\) بحيث \(f(m)\le f(n)\). إذا كان \(f(m)=f(n)\)، فالنتيجة مباشرة. وفي غير ذلك، نكتب \[ a=f(m),\qquad b=f(n),\qquad d=f(m-n), \] بحيث \(0<a<b\).
يعطي الفرض \(d\mid b-a\). وبما أن \(b-a\) موجب، فإن \[ 0<d\le b-a<b. \] وبتطبيق الفرض على العددين الصحيحين \(m\) و\(m-n\)، نحصل أيضًا على \[ f\bigl(m-(m-n)\bigr)\mid f(m)-f(m-n), \] أي \[ b\mid a-d. \] لكن \(0<a<b\) و\(0<d<b\)، لذا \(\lvert a-d\rvert<b\). والمضاعف الوحيد للعدد \(b\) الذي تقل قيمته المطلقة عن \(b\) هو الصفر؛ ومن ثم \(a=d\).
وعليه \(a\mid b-a\)، مما يقتضي \(a\mid b\). إذن \(f(m)\mid f(n)\)، كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.