IMO 2014 · Problem 1
Let \(a_0<a_1<a_2<\cdots\) be an infinite sequence of positive integers. Prove that there exists a unique integer \(n\geq 1\) such that \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\), and for every \(n\geq1\) define \[ b_n=S_n-na_n. \] Then \(b_1=a_0>0\). Moreover, \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] Since the \(a_i\) are strictly increasing integers, \(a_{n+1}-a_n\geq1\). Consequently, \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] and repeated application gives \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] Thus \(b_n\leq0\) for all sufficiently large \(n\).
Let \(N\) be the least positive integer such that \(b_N\leq0\). Because \(b_1>0\), we have \(N\geq2\). Setting \(n=N-1\), we obtain \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] Using the definitions, these inequalities become \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] Dividing by \(n>0\) proves \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Finally, any index satisfying the required inequalities must satisfy \(b_n>0\) and \(b_{n+1}\leq0\). Since \((b_n)\) is strictly decreasing, this can occur only at \(n=N-1\). Hence the required integer exists and is unique. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2014 · Aufgabe 1
Es sei \(a_0<a_1<a_2<\cdots\) eine unendliche Folge positiver ganzer Zahlen. Man beweise, dass es genau eine ganze Zahl \(n\geq 1\) gibt, für die \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1} \] gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\) und definieren für jedes \(n\geq1\) \[ b_n=S_n-na_n. \] Dann ist \(b_1=a_0>0\). Außerdem gilt \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] Da die \(a_i\) streng wachsende ganze Zahlen sind, gilt \(a_{n+1}-a_n\geq1\). Folglich ist \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] und durch wiederholte Anwendung erhalten wir \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] Somit gilt \(b_n\leq0\) für alle hinreichend großen \(n\).
Sei \(N\) die kleinste positive ganze Zahl mit \(b_N\leq0\). Wegen \(b_1>0\) gilt \(N\geq2\). Setzen wir \(n=N-1\), so erhalten wir \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] Nach den Definitionen lauten diese Ungleichungen \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] Division durch \(n>0\) ergibt \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Schließlich muss jeder Index, der die geforderten Ungleichungen erfüllt, auch \(b_n>0\) und \(b_{n+1}\leq0\) erfüllen. Da \((b_n)\) streng fallend ist, kann dies nur für \(n=N-1\) eintreten. Also existiert die gesuchte ganze Zahl und ist eindeutig bestimmt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2014 · Soru 1
\(a_0<a_1<a_2<\cdots\) sonsuz pozitif tam sayılar dizisi olsun. Tam olarak bir tane \(n\geq 1\) tam sayısı için \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1} \] olduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\) yazalım ve her \(n\geq1\) için \[ b_n=S_n-na_n \] olarak tanımlayalım. O hâlde \(b_1=a_0>0\) olur. Ayrıca, \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] \(a_i\)'ler kesin artan tam sayılar olduğundan \(a_{n+1}-a_n\geq1\) olur. Dolayısıyla, \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] ve bu eşitsizliğin art arda uygulanmasıyla \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2 \] elde edilir. Böylece yeterince büyük tüm \(n\) değerleri için \(b_n\leq0\) olur.
\(b_N\leq0\) koşulunu sağlayan en küçük pozitif tam sayı \(N\) olsun. \(b_1>0\) olduğundan \(N\geq2\) olur. \(n=N-1\) alırsak \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0 \] elde ederiz. Tanımlar kullanıldığında bu eşitsizlikler \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0 \] biçimini alır. \(n>0\)'a bölerek \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1} \] olduğunu kanıtlarız.
Son olarak, istenen eşitsizlikleri sağlayan herhangi bir indis için \(b_n>0\) ve \(b_{n+1}\leq0\) olmalıdır. \((b_n)\) kesin azalan olduğundan bu ancak \(n=N-1\) için gerçekleşebilir. Dolayısıyla istenen tam sayı vardır ve tektir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2014 · Problema 1
Sea \(a_0<a_1<a_2<\cdots\) una sucesión infinita de números enteros positivos. Demostrar que existe un único entero \(n\geq 1\) tal que \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\) y, para cada \(n\geq1\), definamos \[ b_n=S_n-na_n. \] Entonces \(b_1=a_0>0\). Además, \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] Como los \(a_i\) son enteros estrictamente crecientes, \(a_{n+1}-a_n\geq1\). Por consiguiente, \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] y, aplicando esta desigualdad repetidamente, obtenemos \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] Así pues, \(b_n\leq0\) para todo \(n\) suficientemente grande.
Sea \(N\) el menor entero positivo tal que \(b_N\leq0\). Como \(b_1>0\), tenemos \(N\geq2\). Tomando \(n=N-1\), obtenemos \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] Por las definiciones, estas desigualdades se convierten en \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] Dividiendo entre \(n>0\), queda demostrado que \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Por último, cualquier índice que satisfaga las desigualdades requeridas debe satisfacer \(b_n>0\) y \(b_{n+1}\leq0\). Como \((b_n)\) es estrictamente decreciente, esto solo puede ocurrir para \(n=N-1\). Por tanto, el entero requerido existe y es único. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2014 · 问题 1
设 \(a_0<a_1<a_2<\cdots\) 是一个无穷正整数列. 证明: 存在惟一的整数 \(n\geq 1\) 使得 \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\),并对每个 \(n\geq1\) 定义 \[ b_n=S_n-na_n. \] 则 \(b_1=a_0>0\)。此外, \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] 由于 \(a_i\) 是严格递增的整数,故 \(a_{n+1}-a_n\geq1\)。因此, \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] 反复应用此式可得 \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] 因此,对所有充分大的 \(n\),都有 \(b_n\leq0\)。
设 \(N\) 是满足 \(b_N\leq0\) 的最小正整数。由于 \(b_1>0\),故 \(N\geq2\)。令 \(n=N-1\),得到 \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] 根据定义,这些不等式化为 \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] 除以 \(n>0\),即得 \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
最后,任何满足题目所要求的不等式的下标都必须满足 \(b_n>0\) 和 \(b_{n+1}\leq0\)。由于 \((b_n)\) 严格递减,这只能在 \(n=N-1\) 时发生。因此,所求整数存在且唯一。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2014 · Задача 1
Пусть \(a_0<a_1<a_2<\ldots\) — бесконечная последовательность целых положительных чисел. Докажите, что существует единственное целое число \(n\geq1\) такое, что \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\ldots+a_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\) и для каждого \(n\geq1\) определим \[ b_n=S_n-na_n. \] Тогда \(b_1=a_0>0\). Кроме того, \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] Поскольку \(a_i\) — строго возрастающие целые числа, \(a_{n+1}-a_n\geq1\). Следовательно, \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] и последовательное применение этого неравенства даёт \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] Таким образом, \(b_n\leq0\) при всех достаточно больших \(n\).
Пусть \(N\) — наименьшее положительное целое число, для которого \(b_N\leq0\). Поскольку \(b_1>0\), имеем \(N\geq2\). Полагая \(n=N-1\), получаем \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] По определению эти неравенства принимают вид \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] Деля на \(n>0\), получаем \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
Наконец, любой индекс, удовлетворяющий требуемым неравенствам, должен удовлетворять условиям \(b_n>0\) и \(b_{n+1}\leq0\). Поскольку последовательность \((b_n)\) строго убывает, это возможно только при \(n=N-1\). Следовательно, искомое целое число существует и единственно. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2014 · المسألة 1
لتكن \(a_0<a_1<a_2<\cdots\) متتالية غير منتهية من الأعداد الصحيحة الموجبة. برهن أنّ هناك عددا صحيحا وحيدا \(n\geq 1\) بحيث \[ a_n<\frac{a_0+a_1+\cdots+a_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنكتب \(S_n=a_0+a_1+\cdots+a_n\)، ولنعرّف لكل \(n\geq1\) \[ b_n=S_n-na_n. \] عندئذ \(b_1=a_0>0\). علاوة على ذلك، \[ b_{n+1} =S_n-na_{n+1} =b_n-n(a_{n+1}-a_n). \] بما أنّ الأعداد \(a_i\) صحيحة ومتزايدة تماما، فإنّ \(a_{n+1}-a_n\geq1\). ومن ثمّ، \[ b_{n+1}\leq b_n-n<b_n, \] وبتكرار التطبيق نحصل على \[ b_n\leq a_0-\sum_{k=1}^{n-1}k =a_0-\frac{n(n-1)}2. \] إذن \(b_n\leq0\) لكل \(n\) كبير بما فيه الكفاية.
ليكن \(N\) أصغر عدد صحيح موجب بحيث \(b_N\leq0\). بما أنّ \(b_1>0\)، فإنّ \(N\geq2\). بوضع \(n=N-1\)، نحصل على \[ b_n>0,\qquad b_{n+1}\leq0. \] باستخدام التعريفات، تصبح هاتان المتباينتان \[ S_n-na_n>0,\qquad S_n-na_{n+1}\leq0. \] وبالقسمة على \(n>0\) نثبت أنّ \[ a_n<\frac{S_n}{n}\leq a_{n+1}. \]
أخيرا، كل دليل يحقق المتباينتين المطلوبتين لا بدّ أن يحقق \(b_n>0\) و\(b_{n+1}\leq0\). وبما أنّ \((b_n)\) متناقصة تماما، فلا يمكن أن يحدث ذلك إلا عند \(n=N-1\). وبالتالي فإنّ العدد الصحيح المطلوب موجود ووحيد. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.