IMO 2013 · Problem 1
Prove that for any pair of positive integers \(k\) and \(n\), there exist \(k\) positive integers \(m_1,m_2,\ldots,m_k\) (not necessarily different) such that \[ 1+\frac{2^k-1}{n} = \left(1+\frac{1}{m_1}\right) \left(1+\frac{1}{m_2}\right) \cdots \left(1+\frac{1}{m_k}\right). \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We use induction on \(k\), proving the assertion for every positive integer \(n\) simultaneously.
For \(k=1\), take \(m_1=n\).
Now let \(k\ge 2\) and assume the assertion holds for \(k-1\) and every positive integer denominator. Fix a positive integer \(n\).
If \(n\) is odd, then \(r=(n+1)/2\) is a positive integer. By the induction hypothesis, there exist positive integers \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) such that \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] Taking \(m_k=n\), we obtain \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
If \(n\) is even, then \(r=n/2\) is a positive integer. By the induction hypothesis, there exist positive integers \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) such that \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] Taking the positive integer \(m_k=n+2^k-2\), we obtain \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Both cases establish the induction step, so the assertion holds for all positive integers \(k\) and \(n\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2013 · Aufgabe 1
Man beweise: Für jedes Paar positiver ganzer Zahlen \(k\) und \(n\) existieren \(k\) positive ganze Zahlen \(m_1,m_2,\ldots,m_k\) (nicht notwendigerweise verschieden), so dass \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac{1}{m_k}\right) \] gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir führen Induktion über \(k\) und beweisen die Behauptung dabei gleichzeitig für jede positive ganze Zahl \(n\).
Für \(k=1\) wählen wir \(m_1=n\).
Sei nun \(k\ge 2\), und es gelte die Behauptung für \(k-1\) und jeden positiven ganzzahligen Nenner. Wir wählen eine positive ganze Zahl \(n\) fest.
Ist \(n\) ungerade, so ist \(r=(n+1)/2\) eine positive ganze Zahl. Nach der Induktionsvoraussetzung gibt es positive ganze Zahlen \(m_1,\ldots,m_{k-1}\), so dass \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] Mit \(m_k=n\) erhalten wir \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Ist \(n\) gerade, so ist \(r=n/2\) eine positive ganze Zahl. Nach der Induktionsvoraussetzung gibt es positive ganze Zahlen \(m_1,\ldots,m_{k-1}\), so dass \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] Mit der positiven ganzen Zahl \(m_k=n+2^k-2\) erhalten wir \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Damit ist der Induktionsschritt in beiden Fällen bewiesen, also gilt die Behauptung für alle positiven ganzen Zahlen \(k\) und \(n\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2013 · Soru 1
Her \(k\) ve \(n\) pozitif tam sayı ikilisi için, \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac{1}{m_k}\right) \] eşitliğini sağlayan \(m_1,m_2,\ldots,m_k\) (farklı olmaları gerekmeyen) pozitif tam sayılarının bulunduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(k\) üzerinden tümevarım uygulayarak önermeyi tüm pozitif tam sayı \(n\) değerleri için aynı anda kanıtlayacağız.
\(k=1\) için \(m_1=n\) alalım.
Şimdi \(k\ge 2\) olsun ve önermenin \(k-1\) için ve her pozitif tam sayı payda için doğru olduğunu varsayalım. Bir pozitif tam sayı \(n\) sabitleyelim.
\(n\) tek ise \(r=(n+1)/2\) bir pozitif tam sayıdır. Tümevarım varsayımına göre, \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1} \] eşitliğini sağlayan \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) pozitif tam sayıları vardır. \(m_k=n\) alarak \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n} \] elde ederiz.
\(n\) çift ise \(r=n/2\) bir pozitif tam sayıdır. Tümevarım varsayımına göre, \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n} \] eşitliğini sağlayan \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) pozitif tam sayıları vardır. \(m_k=n+2^k-2\) pozitif tam sayısını alarak \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n} \] elde ederiz.
Her iki durum da tümevarım adımını tamamlar; dolayısıyla önerme tüm pozitif tam sayılar \(k\) ve \(n\) için doğrudur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2013 · Problema 1
Demostrar que para cualquier par de enteros positivos \(k\) y \(n\), existen \(k\) enteros positivos \(m_1,m_2,\ldots,m_k\) (no necesariamente distintos) tales que \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\ldots\left(1+\frac{1}{m_k}\right). \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Usamos inducción sobre \(k\), demostrando la afirmación simultáneamente para todo entero positivo \(n\).
Para \(k=1\), tomamos \(m_1=n\).
Sea ahora \(k\ge 2\) y supongamos que la afirmación se cumple para \(k-1\) y todo denominador entero positivo. Fijemos un entero positivo \(n\).
Si \(n\) es impar, entonces \(r=(n+1)/2\) es un entero positivo. Por la hipótesis de inducción, existen enteros positivos \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) tales que \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] Tomando \(m_k=n\), obtenemos \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Si \(n\) es par, entonces \(r=n/2\) es un entero positivo. Por la hipótesis de inducción, existen enteros positivos \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) tales que \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] Tomando el entero positivo \(m_k=n+2^k-2\), obtenemos \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Ambos casos establecen el paso inductivo, por lo que la afirmación se cumple para todos los enteros positivos \(k\) y \(n\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2013 · 问题 1
证明对于任意一对正整数 \(k\) 和 \(n\),都存在 \(k\) 个(不必不相同的)正整数 \(m_1,m_2,\ldots,m_k\),使得 \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac{1}{m_k}\right). \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们对 \(k\) 用数学归纳法,同时证明命题对每个正整数 \(n\) 都成立。
当 \(k=1\) 时,取 \(m_1=n\)。
现设 \(k\ge 2\),并假设命题对于 \(k-1\) 及每个正整数分母都成立。固定一个正整数 \(n\)。
若 \(n\) 为奇数,则 \(r=(n+1)/2\) 为正整数。由归纳假设,存在正整数 \(m_1,\ldots,m_{k-1}\),使得 \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] 取 \(m_k=n\),得到 \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
若 \(n\) 为偶数,则 \(r=n/2\) 为正整数。由归纳假设,存在正整数 \(m_1,\ldots,m_{k-1}\),使得 \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] 取正整数 \(m_k=n+2^k-2\),得到 \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
两种情形都完成了归纳步骤,因此命题对所有正整数 \(k\) 和 \(n\) 成立。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2013 · Задача 1
Докажите, что для любой пары натуральных чисел \(k\) и \(n\) существуют \(k\) (не обязательно различных) натуральных чисел \(m_1,m_2,\ldots,m_k\), удовлетворяющих равенству \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac{1}{m_k}\right). \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Воспользуемся индукцией по \(k\), доказывая утверждение одновременно для всех натуральных \(n\).
При \(k=1\) положим \(m_1=n\).
Пусть теперь \(k\ge 2\), и предположим, что утверждение верно для \(k-1\) и любого натурального знаменателя. Зафиксируем натуральное число \(n\).
Если \(n\) нечётно, то \(r=(n+1)/2\) — натуральное число. По предположению индукции существуют натуральные числа \(m_1,\ldots,m_{k-1}\), для которых \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] Полагая \(m_k=n\), получаем \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
Если \(n\) чётно, то \(r=n/2\) — натуральное число. По предположению индукции существуют натуральные числа \(m_1,\ldots,m_{k-1}\), для которых \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] Выбирая натуральное число \(m_k=n+2^k-2\), получаем \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
В обоих случаях индукционный переход доказан, поэтому утверждение верно для всех натуральных чисел \(k\) и \(n\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2013 · المسألة 1
لكلّ عددين صحيحين موجبين \(k\) و \(n\) ، أثبت وجود \(k\) من الأعداد الصّحيحة الموجبة \(m_1,m_2,\ldots,m_k\) (ليست بالضّرورة مختلفة) تحقّق \[ 1+\frac{2^k-1}{n}=\left(1+\frac{1}{m_1}\right)\left(1+\frac{1}{m_2}\right)\cdots\left(1+\frac{1}{m_k}\right). \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نستخدم الاستقراء على \(k\)، فنثبت العبارة لجميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\) في آن واحد.
عندما \(k=1\)، نأخذ \(m_1=n\).
لتكن الآن \(k\ge 2\)، ولنفترض صحة العبارة من أجل \(k-1\) وكل مقام صحيح موجب. نثبت عددًا صحيحًا موجبًا \(n\).
إذا كان \(n\) فرديًا، فإن \(r=(n+1)/2\) عدد صحيح موجب. وبفرضية الاستقراء، توجد أعداد صحيحة موجبة \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) بحيث \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-1}{n+1}. \] وبأخذ \(m_k=n\)، نحصل على \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-1}{n+1}\cdot\frac{n+1}{n} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
إذا كان \(n\) زوجيًا، فإن \(r=n/2\) عدد صحيح موجب. وبفرضية الاستقراء، توجد أعداد صحيحة موجبة \(m_1,\ldots,m_{k-1}\) بحيث \[ \prod_{i=1}^{k-1}\left(1+\frac1{m_i}\right) =1+\frac{2^{k-1}-1}{r} =\frac{n+2^k-2}{n}. \] وبأخذ العدد الصحيح الموجب \(m_k=n+2^k-2\)، نحصل على \[ \prod_{i=1}^{k}\left(1+\frac1{m_i}\right) = \frac{n+2^k-2}{n}\cdot \frac{n+2^k-1}{n+2^k-2} = 1+\frac{2^k-1}{n}. \]
تثبت الحالتان خطوة الاستقراء، ومن ثم تصح العبارة لجميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(k\) و\(n\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.