IMO 2012 · Problem 6
Find all positive integers \(n\) for which there exist non-negative integers \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) such that \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}} = \frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}} =1. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Exactly the positive integers \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{or}\ 2\pmod 4}. \]
Solution
Suppose such integers exist, and let \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\). Multiplying the second equality by \(3^M\) gives \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] Reducing modulo \(2\), we obtain \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] Thus \(n\equiv1\) or \(2\pmod4\).
We now construct solutions for all these integers. The following starting cases are verified by the sums shown:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
Both the \(n=6\) and \(n=9\) solutions have the additional property \[ a_3=a_{n-1}. \] We show that any solution with \(n\ge6\) having this property produces a solution for \(n+4\) with the same property.
Write \(t=a_3=a_{n-1}\). Define \(b_1,\ldots,b_{n+4}\) by keeping \(b_i=a_i\) for all old indices except \(3\) and \(n-1\), and setting \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1. \] All these exponents are non-negative integers.
In the binary sum, the two changed old terms had total \(2/2^t\). Their replacements, including the four new terms, have total \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] Consequently, the binary sum remains \(1\).
In the ternary sum, the two changed old terms had total \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] Their replacements have total \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] Thus the ternary sum also remains \(1\). Moreover, \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] so the additional property is preserved and the construction can be repeated.
Starting from \(n=6\) gives every \(n=6+4k\), and starting from \(n=9\) gives every \(n=9+4k\), for \(k\ge0\). Together with \(n=1,2,5\), these are precisely all positive integers congruent to \(1\) or \(2\) modulo \(4\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2012 · Aufgabe 6
Man bestimme alle positiven ganzen Zahlen \(n\) für die es nicht-negative ganze Zahlen \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) gibt, so dass gilt: \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1. \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau die positiven ganzen Zahlen \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{oder}\ 2\pmod 4}. \]
Lösung
Angenommen, solche ganzen Zahlen existieren, und es sei \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\). Multiplizieren wir die zweite Gleichheit mit \(3^M\), so erhalten wir \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] Durch Reduktion modulo \(2\) erhalten wir \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] Somit gilt \(n\equiv1\) oder \(2\pmod4\).
Wir konstruieren nun Lösungen für alle diese ganzen Zahlen. Die folgenden Anfangsfälle werden durch die angegebenen Summen überprüft:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
Sowohl die Lösung für \(n=6\) als auch die für \(n=9\) hat die zusätzliche Eigenschaft \[ a_3=a_{n-1}. \] Wir zeigen, dass jede Lösung für \(n\ge6\) mit dieser Eigenschaft eine Lösung für \(n+4\) mit derselben Eigenschaft liefert.
Wir schreiben \(t=a_3=a_{n-1}\). Wir definieren \(b_1,\ldots,b_{n+4}\), indem wir \(b_i=a_i\) für alle alten Indizes außer \(3\) und \(n-1\) beibehalten und \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1 \] setzen. Alle diese Exponenten sind nichtnegative ganze Zahlen.
In der Summe mit Zweierpotenzen hatten die beiden geänderten alten Summanden zusammen den Wert \(2/2^t\). Die sie ersetzenden Summanden einschließlich der vier neuen Summanden haben zusammen den Wert \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] Folglich bleibt die Summe mit Zweierpotenzen gleich \(1\).
In der Summe mit Dreierpotenzen hatten die beiden geänderten alten Summanden zusammen den Wert \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] Die sie ersetzenden Summanden haben zusammen den Wert \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] Somit bleibt auch die Summe mit Dreierpotenzen gleich \(1\). Außerdem gilt \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] also bleibt die zusätzliche Eigenschaft erhalten, und die Konstruktion kann wiederholt werden.
Ausgehend von \(n=6\) erhält man jedes \(n=6+4k\), und ausgehend von \(n=9\) erhält man jedes \(n=9+4k\), für \(k\ge0\). Zusammen mit \(n=1,2,5\) sind dies genau alle positiven ganzen Zahlen, die modulo \(4\) zu \(1\) oder \(2\) kongruent sind.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2012 · Soru 6
Hangi \(n\) pozitif tam sayıları için, \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1 \] eşitliklerini sağlayan \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) negatif olmayan tam sayılarının bulunduğunu belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{veya}\ 2\pmod 4} \] koşulunu sağlayan pozitif tam sayılar.
Çözüm
Böyle tam sayıların var olduğunu varsayalım ve \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\) olsun. İkinci eşitliği \(3^M\) ile çarparak \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M \] elde ederiz. \(2\) modülünde indirgeyince, \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2 \] buluruz. Böylece \(n\equiv1\) veya \(2\pmod4\) olur.
Şimdi bu tam sayıların tümü için çözümler oluşturacağız. Aşağıdaki başlangıç durumları, gösterilen toplamlarla doğrulanır:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
Hem \(n=6\) hem de \(n=9\) için verilen çözümler ayrıca \[ a_3=a_{n-1} \] özelliğine sahiptir. \(n\ge6\) için bu özelliğe sahip herhangi bir çözümün, \(n+4\) için aynı özelliğe sahip bir çözüm ürettiğini göstereceğiz.
\(t=a_3=a_{n-1}\) yazalım. \(b_1,\ldots,b_{n+4}\)’ü, eski indislerden \(3\) ve \(n-1\) dışındakilerin tümü için \(b_i=a_i\) değerlerini koruyarak ve \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1 \] alarak tanımlayalım. Bu üslerin tümü negatif olmayan tam sayılardır.
İki tabanlı toplamda, değiştirilen iki eski terimin toplamı \(2/2^t\) idi. Dört yeni terim de dâhil olmak üzere, bunların yerine geçen terimlerin toplamı \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t} \] olur. Dolayısıyla iki tabanlı toplam \(1\) olarak kalır.
Üç tabanlı toplamda, değiştirilen iki eski terimin toplamı \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t} \] idi. Bunların yerine geçen terimlerin toplamı \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t} \end{aligned} \] olur. Böylece üç tabanlı toplam da \(1\) olarak kalır. Ayrıca, \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] olduğundan, ek özellik korunur ve inşa tekrarlanabilir.
\(n=6\)’dan başlamak her \(n=6+4k\)’yi, \(n=9\)’dan başlamak ise her \(n=9+4k\)’yi verir; burada \(k\ge0\)’dır. \(n=1,2,5\) ile birlikte bunlar, \(4\) modülünde \(1\) veya \(2\)’ye denk olan pozitif tam sayıların tam olarak tümüdür.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2012 · Problema 6
Hallar todos los enteros positivos \(n\) para los cuales existen enteros no negativos \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) tales que \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente los enteros positivos \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{o}\ 2\pmod 4}. \]
Solución
Supongamos que existen tales enteros, y sea \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\). Multiplicando la segunda igualdad por \(3^M\), se obtiene \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] Reduciendo módulo \(2\), obtenemos \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] Así, \(n\equiv1\) o \(2\pmod4\).
Ahora construimos soluciones para todos estos enteros. Los siguientes casos iniciales se verifican mediante las sumas indicadas:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
Tanto la solución para \(n=6\) como la de \(n=9\) tienen la propiedad adicional \[ a_3=a_{n-1}. \] Demostramos que cualquier solución con \(n\ge6\) que tenga esta propiedad produce una solución para \(n+4\) con la misma propiedad.
Escribimos \(t=a_3=a_{n-1}\). Definimos \(b_1,\ldots,b_{n+4}\) conservando \(b_i=a_i\) para todos los índices antiguos excepto \(3\) y \(n-1\), y poniendo \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1. \] Todos estos exponentes son enteros no negativos.
En la suma binaria, los dos términos antiguos modificados sumaban \(2/2^t\). Sus sustitutos, incluidos los cuatro términos nuevos, suman \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] En consecuencia, la suma binaria sigue siendo \(1\).
En la suma ternaria, los dos términos antiguos modificados sumaban \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] Sus sustitutos suman \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] Así, la suma ternaria también sigue siendo \(1\). Además, \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] por lo que se conserva la propiedad adicional y la construcción puede repetirse.
Partiendo de \(n=6\) se obtiene todo \(n=6+4k\), y partiendo de \(n=9\) se obtiene todo \(n=9+4k\), para \(k\ge0\). Junto con \(n=1,2,5\), estos son precisamente todos los enteros positivos congruentes con \(1\) o \(2\) módulo \(4\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2012 · 问题 6
求所有的正整数 \(n\),使得存在非负整数 \(a_1,a_2,\cdots,a_n\),满足 \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
恰好是满足下式的正整数: \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{或}\ 2\pmod 4}. \]
解答
假设存在这样的整数,并令 \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\)。将第二个等式乘以 \(3^M\),得 \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] 模 \(2\) 考察,得到 \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] 所以 \(n\equiv1\) 或 \(2\pmod4\)。
现在我们为所有这些整数构造解。以下初始情形由表中所列的和验证:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
\(n=6\) 和 \(n=9\) 的解都具有附加性质 \[ a_3=a_{n-1}. \] 我们证明,任何具有此性质且 \(n\ge6\) 的解,都能产生一个具有相同性质的 \(n+4\) 的解。
记 \(t=a_3=a_{n-1}\)。定义 \(b_1,\ldots,b_{n+4}\):对于除 \(3\) 和 \(n-1\) 之外的所有原有下标,保持 \(b_i=a_i\),并令 \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1. \] 这些指数都是非负整数。
在以二为底的和中,两个被改变的原有项之和为 \(2/2^t\)。替换后的各项(包括四个新增项)之和为 \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] 因此,以二为底的和仍为 \(1\)。
在以三为底的和中,两个被改变的原有项之和为 \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] 替换后的各项之和为 \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] 因此,以三为底的和也仍为 \(1\)。此外, \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] 所以附加性质得到保持,可以重复这一构造。
从 \(n=6\) 出发,得到每个 \(n=6+4k\);从 \(n=9\) 出发,得到每个 \(n=9+4k\),其中 \(k\ge0\)。连同 \(n=1,2,5\),这些恰好是所有模 \(4\) 余 \(1\) 或 \(2\) 的正整数。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2012 · Задача 6
Найдите все целые положительные числа \(n\), для которых существуют целые неотрицательные числа \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) такие, что \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В точности все положительные целые числа \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{или}\ 2\pmod 4}. \]
Решение
Предположим, что такие целые числа существуют, и пусть \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\). Умножая второе равенство на \(3^M\), получаем \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] Переходя к сравнению по модулю \(2\), получаем \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] Таким образом, \(n\equiv1\) или \(2\pmod4\).
Теперь построим решения для всех таких чисел. Следующие начальные случаи проверяются приведёнными суммами:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
Оба решения, при \(n=6\) и при \(n=9\), обладают дополнительным свойством \[ a_3=a_{n-1}. \] Покажем, что любое решение при \(n\ge6\), обладающее этим свойством, позволяет получить решение для \(n+4\) с тем же свойством.
Обозначим \(t=a_3=a_{n-1}\). Определим \(b_1,\ldots,b_{n+4}\), сохранив \(b_i=a_i\) для всех прежних индексов, кроме \(3\) и \(n-1\), и положив \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1. \] Все эти показатели — неотрицательные целые числа.
В сумме со степенями двойки два изменяемых прежних слагаемых в сумме давали \(2/2^t\). Заменяющие их слагаемые, включая четыре новых, в сумме дают \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] Следовательно, сумма со степенями двойки остаётся равной \(1\).
В сумме со степенями тройки два изменяемых прежних слагаемых в сумме давали \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] Заменяющие их слагаемые в сумме дают \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] Таким образом, сумма со степенями тройки также остаётся равной \(1\). Кроме того, \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] поэтому дополнительное свойство сохраняется и построение можно повторять.
Начиная с \(n=6\), получаем все \(n=6+4k\), а начиная с \(n=9\) — все \(n=9+4k\), где \(k\ge0\). Вместе с \(n=1,2,5\) это в точности все положительные целые числа, сравнимые с \(1\) или \(2\) по модулю \(4\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2012 · المسألة 6
حدد جميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\) التي لأجلها توجد أعداد صحيحة غير سالبة \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) تحقق \[ \frac{1}{2^{a_1}}+\frac{1}{2^{a_2}}+\cdots+\frac{1}{2^{a_n}}=\frac{1}{3^{a_1}}+\frac{2}{3^{a_2}}+\cdots+\frac{n}{3^{a_n}}=1. \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
هي بالضبط الأعداد الصحيحة الموجبة التي تحقق \[ \boxed{n\equiv 1\ \text{أو}\ 2\pmod 4}. \]
الحل
نفترض وجود أعداد صحيحة كهذه، وليكن \(M=\max(a_1,\ldots,a_n)\). بضرب المساواة الثانية في \(3^M\) نحصل على \[ \sum_{i=1}^n i\,3^{M-a_i}=3^M. \] بالاختزال بترديد \(2\)، نحصل على \[ \frac{n(n+1)}2=\sum_{i=1}^n i\equiv1\pmod2. \] إذن \(n\equiv1\) أو \(2\pmod4\).
ننشئ الآن حلولا لجميع هذه الأعداد الصحيحة. وتتحقق الحالات الابتدائية الآتية بواسطة المجاميع المبينة:
| \(n\) | \((a_1,\ldots,a_n)\) | \(\sum 2^{-a_i}\) | \(\sum i3^{-a_i}\) |
|---|---|---|---|
| \(1\) | \((0)\) | \(1\) | \(1\) |
| \(2\) | \((1,1)\) | \(2/2=1\) | \(3/3=1\) |
| \(5\) | \((2,2,2,3,3)\) | \(3/4+2/8=1\) | \(6/9+9/27=1\) |
| \(6\) | \((2,2,3,3,3,3)\) | \(2/4+4/8=1\) | \(3/9+18/27=1\) |
| \(9\) | \((2,2,4,4,4,3,4,4,4)\) | \(2/4+1/8+6/16=1\) | \(3/9+6/27+36/81=1\) |
لكل من الحلين عند \(n=6\) و \(n=9\) الخاصية الإضافية \[ a_3=a_{n-1}. \] نبين أن أي حل عند \(n\ge6\) يتمتع بهذه الخاصية ينتج حلا عند \(n+4\) يتمتع بالخاصية نفسها.
نكتب \(t=a_3=a_{n-1}\). نعرّف \(b_1,\ldots,b_{n+4}\) بالإبقاء على \(b_i=a_i\) لجميع الفهارس القديمة عدا \(3\) و \(n-1\)، وبوضع \[ b_3=b_{n-1}=b_{n+3}=b_{n+4}=t+2, \qquad b_{n+1}=b_{n+2}=t+1. \] جميع هذه الأسس أعداد صحيحة غير سالبة.
في المجموع ذي الأساس اثنين، كان مجموع الحدين القديمين اللذين تغيرا هو \(2/2^t\). أما الحدود التي تحل محلهما، بما فيها الحدود الأربعة الجديدة، فمجموعها \[ \frac{4}{2^{t+2}}+\frac{2}{2^{t+1}} =\frac{2}{2^t}. \] وبالتالي، يبقى المجموع ذو الأساس اثنين مساويا لـ \(1\).
في المجموع ذي الأساس ثلاثة، كان مجموع الحدين القديمين اللذين تغيرا هو \[ \frac{3+(n-1)}{3^t}=\frac{n+2}{3^t}. \] أما الحدود التي تحل محلهما فمجموعها \[ \begin{aligned} &\frac{3+(n-1)+(n+3)+(n+4)}{3^{t+2}} +\frac{(n+1)+(n+2)}{3^{t+1}}\\ &\qquad=\frac{3n+9+3(2n+3)}{3^{t+2}} =\frac{9(n+2)}{3^{t+2}} =\frac{n+2}{3^t}. \end{aligned} \] إذن يبقى المجموع ذو الأساس ثلاثة أيضا مساويا لـ \(1\). وعلاوة على ذلك، \[ b_3=b_{(n+4)-1}=t+2, \] فتُحفظ الخاصية الإضافية ويمكن تكرار الإنشاء.
بالبدء من \(n=6\) نحصل على كل \(n=6+4k\)، وبالبدء من \(n=9\) نحصل على كل \(n=9+4k\)، حيث \(k\ge0\). ومع \(n=1,2,5\)، تكون هذه بالضبط جميع الأعداد الصحيحة الموجبة الموافقة لـ \(1\) أو \(2\) بترديد \(4\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.