IMO 2015 · Problem 6
The sequence \(a_1,a_2,\ldots\) of integers satisfies the following conditions:
(i) \(1 \leq a_j \leq 2015\) for all \(j \geq 1\);
(ii) \(k+a_k \neq \ell+a_\ell\) for all \(1 \leq k < \ell\).
Prove that there exist two positive integers \(b\) and \(N\) such that \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq 1007^2 \] for all integers \(m\) and \(n\) satisfying \(n>m\geq N\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(M=2015\) and define \(f(j)=j+a_j\) for every positive integer \(j\). The assumptions say that \(f\) is injective and \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
Let \(H\) be the set of positive integers that are not values of \(f\). For every integer \(t\geq M\), the \(t-M\) distinct numbers \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] all belong to \(\{1,\ldots,t\}\). Thus at most \(M\) integers in \(\{1,\ldots,t\}\) belong to \(H\). Consequently, \(H\) is finite and \(|H|\leq M\). Also \(1\in H\), since \(f(j)>j\geq1\).
We may therefore choose the positive integers \[ b=|H|,\qquad N=\max H. \] In particular, \(1\leq b\leq M\), and every integer greater than \(N\) is a value of \(f\).
For each integer \(n\geq N\), define \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] Exactly \(n-b\) integers in \(\{1,\ldots,n\}\) are values of \(f\). Each of their preimages is less than its value, hence belongs to \(\{1,\ldots,n\}\). Since \(f(1),\ldots,f(n)\) are distinct, it follows that \[ |T_n|=b. \] Moreover, \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] The number \(n+1\) belongs to \(T_n\): it is greater than \(N\), so it equals \(f(j)\) for some \(j\), and \(j<f(j)=n+1\) implies \(j\leq n\).
Define \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] We first relate these quantities to the desired sums. For \(n\geq N\), \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] The new element is distinct from all preceding values by injectivity. Removing \(n+1\) removes a contribution of \(1\) from \(Q_n\), and replacing \(n\) by \(n+1\) decreases each of the remaining \(b-1\) contributions by \(1\). The new element contributes \(a_{n+1}\). Therefore, \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] Telescoping gives, for all \(n>m\geq N\), \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
It remains to bound the range of \(Q_n\). Write the elements of \(\{t-n:t\in T_n\}\) in increasing order as \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] For every \(i\), distinctness gives \(r_i\geq i\). Also, the \(b-i\) larger elements require \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] Since \(r_1=1\), we obtain \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] This also holds when \(b=1\), with an empty sum. Thus all the \(Q_n\), for \(n\geq N\), lie in one interval of length \((b-1)(M-b)\). By (1), \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] Finally, using \(M=2015\), \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] This proves the required inequality for every \(n>m\geq N\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2015 · Aufgabe 6
Die Folge \(a_1,a_2,\ldots\) ganzer Zahlen genügt den folgenden Bedingungen:
(i) \(1 \leq a_j \leq 2015\) für alle \(j \geq 1\);
(ii) \(k+a_k \neq \ell+a_\ell\) für alle \(1 \leq k < \ell\).
Man beweise, dass es zwei positive ganze Zahlen \(b\) und \(N\) derart gibt, dass \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq 1007^2 \] für alle ganzen Zahlen \(m\) und \(n\) mit \(n>m\geq N\) erfüllt ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir setzen \(M=2015\) und definieren \(f(j)=j+a_j\) für jede positive ganze Zahl \(j\). Die Voraussetzungen besagen, dass \(f\) injektiv ist und \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
Sei \(H\) die Menge der positiven ganzen Zahlen, die keine Werte von \(f\) sind. Für jede ganze Zahl \(t\geq M\) gehören die \(t-M\) verschiedenen Zahlen \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] alle zu \(\{1,\ldots,t\}\). Somit gehören höchstens \(M\) ganze Zahlen aus \(\{1,\ldots,t\}\) zu \(H\). Folglich ist \(H\) endlich, und es gilt \(|H|\leq M\). Außerdem gilt \(1\in H\), da \(f(j)>j\geq1\) ist.
Wir können daher die positiven ganzen Zahlen \[ b=|H|,\qquad N=\max H \] wählen. Insbesondere gilt \(1\leq b\leq M\), und jede ganze Zahl größer als \(N\) ist ein Wert von \(f\).
Für jede ganze Zahl \(n\geq N\) definieren wir \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] Genau \(n-b\) ganze Zahlen aus \(\{1,\ldots,n\}\) sind Werte von \(f\). Jedes ihrer Urbilder ist kleiner als sein Bild, gehört also zu \(\{1,\ldots,n\}\). Da \(f(1),\ldots,f(n)\) verschieden sind, folgt \[ |T_n|=b. \] Außerdem gilt \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] Die Zahl \(n+1\) gehört zu \(T_n\): Sie ist größer als \(N\), also ist sie gleich \(f(j)\) für ein \(j\), und aus \(j<f(j)=n+1\) folgt \(j\leq n\).
Wir definieren \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] Zunächst stellen wir einen Zusammenhang zwischen diesen Größen und den gesuchten Summen her. Für \(n\geq N\) gilt \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] Aufgrund der Injektivität ist das neue Element von allen vorangegangenen Werten verschieden. Durch Entfernen von \(n+1\) entfällt in \(Q_n\) ein Summand mit dem Wert \(1\), und durch Ersetzen von \(n\) durch \(n+1\) wird jeder der verbleibenden \(b-1\) Summanden um \(1\) verringert. Das neue Element trägt \(a_{n+1}\) bei. Daher gilt \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] Durch Teleskopieren ergibt sich für alle \(n>m\geq N\) \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
Es bleibt, den Wertebereich von \(Q_n\) abzuschätzen. Wir schreiben die Elemente von \(\{t-n:t\in T_n\}\) in aufsteigender Reihenfolge als \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] Für jedes \(i\) folgt aus der Verschiedenheit \(r_i\geq i\). Außerdem erfordern die \(b-i\) größeren Elemente \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] Wegen \(r_1=1\) erhalten wir \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] Dies gilt auch für \(b=1\), wobei die Summe leer ist. Somit liegen alle \(Q_n\) für \(n\geq N\) in einem gemeinsamen Intervall der Länge \((b-1)(M-b)\). Nach (1) gilt \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] Schließlich erhalten wir mit \(M=2015\) \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] Damit ist die geforderte Ungleichung für jedes \(n>m\geq N\) bewiesen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2015 · Soru 6
Tam sayılardan oluşan \(a_1,a_2,\ldots\) dizisi
(i) her \(j\geq 1\) için \(1\leq a_j\leq 2015\);
(ii) her \(1\leq k<\ell\) için \(k+a_k\neq\ell+a_\ell\)
koşullarını sağlıyor. \(n>m\geq N\) koşulunu sağlayan tüm \(m\) ve \(n\) tam sayıları için \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right|\leq 1007^2 \] olmasını sağlayan \(b\) ve \(N\) pozitif tam sayılarının bulunabileceğini kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(M=2015\) alalım ve her pozitif \(j\) tam sayısı için \(f(j)=j+a_j\) tanımlayalım. Varsayımlar, \(f\) nin birebir olduğunu ve \[ j+1\leq f(j)\leq j+M \] eşitsizliklerini sağladığını söyler.
\(H\), \(f\) nin değerleri arasında bulunmayan pozitif tam sayıların kümesi olsun. Her \(t\geq M\) tam sayısı için, birbirinden farklı \(t-M\) tane \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] sayısının tümü \(\{1,\ldots,t\}\) kümesine aittir. Böylece \(\{1,\ldots,t\}\) içindeki en fazla \(M\) tam sayı \(H\) ye aittir. Dolayısıyla \(H\) sonludur ve \(|H|\leq M\) dir. Ayrıca \(f(j)>j\geq1\) olduğundan \(1\in H\) dir.
Bu nedenle pozitif tam sayıları \[ b=|H|,\qquad N=\max H \] olarak seçebiliriz. Özellikle \(1\leq b\leq M\) dir ve \(N\) den büyük her tam sayı \(f\) nin bir değeridir.
Her \(n\geq N\) tam sayısı için \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\} \] tanımlayalım. \(\{1,\ldots,n\}\) kümesindeki tam olarak \(n-b\) tam sayı \(f\) nin değeridir. Bunların her birinin ters görüntüsü kendisinden küçüktür; dolayısıyla \(\{1,\ldots,n\}\) kümesine aittir. \(f(1),\ldots,f(n)\) birbirinden farklı olduğundan, \[ |T_n|=b \] sonucu çıkar. Ayrıca, \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] \(n+1\) sayısı \(T_n\) ye aittir: \(N\) den büyük olduğundan bir \(j\) için \(f(j)\) ye eşittir ve \(j<f(j)=n+1\) eşitsizliği \(j\leq n\) sonucunu verir.
\[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n) \] tanımlayalım. Önce bu nicelikleri istenen toplamlarla ilişkilendirelim. \(n\geq N\) için, \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] Birebirlikten dolayı yeni eleman önceki tüm değerlerden farklıdır. \(n+1\) in çıkarılması \(Q_n\) den \(1\) lik bir katkıyı kaldırır ve \(n\) yerine \(n+1\) yazılması, kalan \(b-1\) katkının her birini \(1\) azaltır. Yeni elemanın katkısı \(a_{n+1}\) dir. Dolayısıyla, \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] Teleskopik toplama, tüm \(n>m\geq N\) için \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m \tag{1} \] eşitliğini verir.
Geriye \(Q_n\) nin değer aralığını sınırlamak kalır. \(\{t-n:t\in T_n\}\) kümesinin elemanlarını artan sırayla \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M \] olarak yazalım. Her \(i\) için, elemanların farklı olması \(r_i\geq i\) eşitsizliğini verir. Ayrıca daha büyük olan \(b-i\) eleman, \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i \] olmasını gerektirir. \(r_1=1\) olduğundan, \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b) \] elde ederiz. Bu, toplam boş olmak üzere \(b=1\) durumunda da geçerlidir. Böylece \(n\geq N\) için tüm \(Q_n\) ler, uzunluğu \((b-1)(M-b)\) olan tek bir aralıkta yer alır. (1) uyarınca, \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] Son olarak \(M=2015\) kullanılarak, \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] Bu, istenen eşitsizliği her \(n>m\geq N\) için kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2015 · Problema 6
La sucesión de enteros \(a_1,a_2,\ldots\) satisface las siguientes condiciones:
(i) \(1 \leq a_j \leq 2015\) para todo \(j \geq 1\);
(ii) \(k+a_k \neq \ell+a_\ell\) para todo \(1 \leq k < \ell\).
Demostrar que existen dos enteros positivos \(b\) y \(N\) tales que \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq 1007^2 \] para todos los enteros \(m\) y \(n\) que satisfacen \(n>m\geq N\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \(M=2015\) y definamos \(f(j)=j+a_j\) para todo entero positivo \(j\). Las hipótesis dicen que \(f\) es inyectiva y \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
Sea \(H\) el conjunto de los enteros positivos que no son valores de \(f\). Para todo entero \(t\geq M\), los \(t-M\) números distintos \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] pertenecen todos a \(\{1,\ldots,t\}\). Por tanto, a lo sumo \(M\) enteros de \(\{1,\ldots,t\}\) pertenecen a \(H\). En consecuencia, \(H\) es finito y \(|H|\leq M\). Además, \(1\in H\), pues \(f(j)>j\geq1\).
Podemos, por tanto, elegir los enteros positivos \[ b=|H|,\qquad N=\max H. \] En particular, \(1\leq b\leq M\), y todo entero mayor que \(N\) es un valor de \(f\).
Para cada entero \(n\geq N\), definamos \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] Exactamente \(n-b\) enteros de \(\{1,\ldots,n\}\) son valores de \(f\). Cada una de sus preimágenes es menor que su imagen, por lo que pertenece a \(\{1,\ldots,n\}\). Como \(f(1),\ldots,f(n)\) son distintos, se sigue que \[ |T_n|=b. \] Además, \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] El número \(n+1\) pertenece a \(T_n\): es mayor que \(N\), por lo que es igual a \(f(j)\) para algún \(j\), y \(j<f(j)=n+1\) implica \(j\leq n\).
Definamos \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] Primero relacionaremos estas cantidades con las sumas que queremos acotar. Para \(n\geq N\), \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] El nuevo elemento es distinto de todos los valores anteriores por la inyectividad. Al eliminar \(n+1\), se elimina una contribución de \(1\) a \(Q_n\), y al sustituir \(n\) por \(n+1\), cada una de las \(b-1\) contribuciones restantes disminuye en \(1\). El nuevo elemento aporta \(a_{n+1}\). Por tanto, \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] Sumando telescópicamente se obtiene, para todos los \(n>m\geq N\), \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
Queda acotar el rango de valores de \(Q_n\). Escribamos los elementos de \(\{t-n:t\in T_n\}\) en orden creciente como \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] Para todo \(i\), el hecho de que sean distintos da \(r_i\geq i\). Además, los \(b-i\) elementos mayores exigen \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] Como \(r_1=1\), obtenemos \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] Esto también se cumple cuando \(b=1\), con una suma vacía. Así, todos los \(Q_n\), para \(n\geq N\), pertenecen a un mismo intervalo de longitud \((b-1)(M-b)\). Por (1), \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] Finalmente, utilizando \(M=2015\), \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] Esto demuestra la desigualdad requerida para todos los \(n>m\geq N\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2015 · 问题 6
整数序列\(a_1,a_2,\cdots\)满足下列条件:
(i) 对每个整数\(j \geq 1\),有\(1 \leq a_j \leq 2015\);
(ii) 对任意整数\(1 \leq k < \ell\),有\(k+a_k \neq \ell+a_\ell\)。
证明:存在两个正整数\(b\)和\(N\),使得 \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq 1007^2 \] 对所有满足\(n>m\geq N\)的整数\(m\)和\(n\)均成立。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
令\(M=2015\),并对每个正整数\(j\)定义\(f(j)=j+a_j\)。题设说明\(f\)是单射,且 \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
设\(H\)为所有不属于\(f\)的值域的正整数所成的集合。对每个整数\(t\geq M\),这\(t-M\)个互不相同的数 \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] 都属于\(\{1,\ldots,t\}\)。因此,\(\{1,\ldots,t\}\)中至多有\(M\)个整数属于\(H\)。所以\(H\)是有限集,且\(|H|\leq M\)。又因为\(f(j)>j\geq1\),所以\(1\in H\)。
因此,我们可以选取正整数 \[ b=|H|,\qquad N=\max H. \] 特别地,\(1\leq b\leq M\),且每个大于\(N\)的整数都是\(f\)的某个值。
对每个整数\(n\geq N\),定义 \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] 在\(\{1,\ldots,n\}\)中,恰有\(n-b\)个整数是\(f\)的值。它们各自的原像都小于其值,因此属于\(\{1,\ldots,n\}\)。由于\(f(1),\ldots,f(n)\)互不相同,可得 \[ |T_n|=b. \] 此外, \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] 数\(n+1\)属于\(T_n\):它大于\(N\),所以对某个\(j\),它等于\(f(j)\),而\(j<f(j)=n+1\)说明\(j\leq n\)。
定义 \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] 我们先建立这些量与所求和式之间的联系。对于\(n\geq N\), \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] 由单射性,新元素与之前的所有值均不相同。删去\(n+1\)会从\(Q_n\)中减去一项\(1\),而将\(n\)换为\(n+1\)会使余下的\(b-1\)项各减少\(1\)。新元素贡献的项为\(a_{n+1}\)。因此, \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] 累加消去中间项,得到对所有\(n>m\geq N\), \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
剩下只需界定\(Q_n\)的取值范围。将 \(\{t-n:t\in T_n\}\)的元素按递增顺序写为 \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] 对每个\(i\),由元素互不相同可知\(r_i\geq i\)。此外,比它大的\(b-i\)个元素要求 \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] 由于\(r_1=1\),得到 \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] 当\(b=1\)时,和式为空和,上式也成立。因此,所有\(n\geq N\)对应的\(Q_n\)都位于同一个长度为\((b-1)(M-b)\)的区间内。由(1), \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] 最后,利用\(M=2015\), \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] 这就证明了所要求的不等式对每个\(n>m\geq N\)都成立。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2015 · Задача 6
Последовательность \(a_1,a_2,\ldots\) целых чисел удовлетворяет следующим условиям:
(i) \(1 \leq a_j \leq 2015\) для всех \(j \geq 1\);
(ii) \(k+a_k \neq \ell+a_\ell\) для всех \(1 \leq k < \ell\).
Докажите, что существуют два положительных целых числа \(b\) и \(N\) таких, что \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq 1007^2 \] для всех целых чисел \(m\) и \(n\), удовлетворяющих условию \(n>m\geq N\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(M=2015\) и определим \(f(j)=j+a_j\) для каждого положительного целого \(j\). Условия означают, что \(f\) инъективна и \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
Пусть \(H\) — множество положительных целых чисел, которые не являются значениями \(f\). Для каждого целого \(t\geq M\) все \(t-M\) различных чисел \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] принадлежат \(\{1,\ldots,t\}\). Поэтому не более \(M\) целых чисел из \(\{1,\ldots,t\}\) принадлежат \(H\). Следовательно, \(H\) конечно и \(|H|\leq M\). Кроме того, \(1\in H\), поскольку \(f(j)>j\geq1\).
Поэтому мы можем выбрать положительные целые числа \[ b=|H|,\qquad N=\max H. \] В частности, \(1\leq b\leq M\), и каждое целое число, большее \(N\), является значением \(f\).
Для каждого целого \(n\geq N\) определим \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] Ровно \(n-b\) целых чисел из \(\{1,\ldots,n\}\) являются значениями \(f\). Прообраз каждого из них меньше самого числа, а значит, принадлежит \(\{1,\ldots,n\}\). Поскольку \(f(1),\ldots,f(n)\) различны, отсюда следует \[ |T_n|=b. \] Кроме того, \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] Число \(n+1\) принадлежит \(T_n\): оно больше \(N\), поэтому равно \(f(j)\) для некоторого \(j\), а из \(j<f(j)=n+1\) следует \(j\leq n\).
Определим \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] Сначала свяжем эти величины с нужными суммами. Для \(n\geq N\) \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] В силу инъективности новый элемент отличается от всех предыдущих значений. При удалении \(n+1\) из \(Q_n\) убирается слагаемое \(1\), а замена \(n\) на \(n+1\) уменьшает каждое из оставшихся \(b-1\) слагаемых на \(1\). Новый элемент вносит слагаемое \(a_{n+1}\). Поэтому \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] Суммируя с сокращением промежуточных членов, для всех \(n>m\geq N\) получаем \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
Остается оценить диапазон значений \(Q_n\). Запишем элементы множества \(\{t-n:t\in T_n\}\) в порядке возрастания: \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] Для каждого \(i\) из различности элементов следует \(r_i\geq i\). Кроме того, наличие \(b-i\) бо́льших элементов требует \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] Поскольку \(r_1=1\), получаем \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] Это верно и при \(b=1\), когда сумма пуста. Таким образом, все \(Q_n\) при \(n\geq N\) лежат в одном промежутке длины \((b-1)(M-b)\). В силу (1), \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] Наконец, используя \(M=2015\), получаем \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] Это доказывает требуемое неравенство для всех \(n>m\geq N\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2015 · المسألة 6
متتالية الأعداد الصحيحة \(a_1\)، \(a_2\)، \(\ldots\) تحقق الشرطين:
١- \(1\leq a_j\leq 2015\) لكل \(j\geq 1\)؛
٢- \(k+a_k\neq\ell+a_\ell\) لكل \(1\leq k<\ell\).
أثبت وجود عددين صحيحين موجبين \(b\) و\(N\) بحيث \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right|\leq 1007^2 \] لكل عددين صحيحين \(m\) و \(n\) يحققان \(n>m\geq N\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(M=2015\)، ونعرف \(f(j)=j+a_j\) لكل عدد صحيح موجب \(j\). تعني الفرضيات أن \(f\) متباينة وأن \[ j+1\leq f(j)\leq j+M. \]
لتكن \(H\) مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة التي ليست قيمًا للدالة \(f\). لكل عدد صحيح \(t\geq M\)، تنتمي الأعداد المختلفة، وعددها \(t-M\)، \[ f(1),f(2),\ldots,f(t-M) \] كلها إلى \(\{1,\ldots,t\}\). إذن لا يزيد عدد الأعداد الصحيحة في \(\{1,\ldots,t\}\) التي تنتمي إلى \(H\) على \(M\). وبالتالي، فإن \(H\) منتهية و\(|H|\leq M\). كذلك \(1\in H\)، لأن \(f(j)>j\geq1\).
لذا يمكننا اختيار العددين الصحيحين الموجبين \[ b=|H|,\qquad N=\max H. \] وبخاصة، \(1\leq b\leq M\)، وكل عدد صحيح أكبر من \(N\) هو قيمة للدالة \(f\).
لكل عدد صحيح \(n\geq N\)، نعرف \[ T_n=\{f(j):1\leq j\leq n,\ f(j)>n\}. \] يوجد بالضبط \(n-b\) عددًا صحيحًا في \(\{1,\ldots,n\}\) هي قيم للدالة \(f\). وكل سابق لأي منها أصغر من قيمته، ومن ثم ينتمي إلى \(\{1,\ldots,n\}\). وبما أن \(f(1),\ldots,f(n)\) مختلفة، ينتج أن \[ |T_n|=b. \] فضلًا عن ذلك، \[ T_n\subseteq\{n+1,\ldots,n+M\}. \] ينتمي العدد \(n+1\) إلى \(T_n\): فهو أكبر من \(N\)، لذا يساوي \(f(j)\) من أجل قيمة ما لـ\(j\)، و\(j<f(j)=n+1\) يستلزم \(j\leq n\).
نعرف \[ Q_n=\sum_{t\in T_n}(t-n). \] نربط أولًا هذه المقادير بالمجاميع المطلوبة. من أجل \(n\geq N\)، \[ T_{n+1}=\bigl(T_n\setminus\{n+1\}\bigr)\cup\{f(n+1)\}. \] العنصر الجديد مختلف عن جميع القيم السابقة، لأن الدالة متباينة. يؤدي حذف \(n+1\) إلى حذف مساهمة مقدارها \(1\) من \(Q_n\)، ويؤدي استبدال \(n\) بـ\(n+1\) إلى إنقاص كل واحدة من المساهمات المتبقية، وعددها \(b-1\)، بمقدار \(1\). ويساهم العنصر الجديد بمقدار \(a_{n+1}\). لذلك، \[ Q_{n+1}=Q_n-b+a_{n+1}. \] بالجمع واختزال الحدود المتتابعة نحصل، لكل \(n>m\geq N\)، على \[ \sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)=Q_n-Q_m. \tag{1} \]
يبقى أن نحد مدى قيم \(Q_n\). نكتب عناصر \(\{t-n:t\in T_n\}\) بترتيب تصاعدي على الصورة \[ 1=r_1<r_2<\cdots<r_b\leq M. \] لكل \(i\)، يقتضي اختلاف العناصر أن \(r_i\geq i\). كذلك فإن وجود \(b-i\) عنصرًا أكبر يقتضي \[ r_i\leq M-(b-i)=M-b+i. \] بما أن \(r_1=1\)، نحصل على \[ 0\leq Q_n-\frac{b(b+1)}2 =\sum_{i=2}^{b}(r_i-i) \leq (b-1)(M-b). \] ويصح هذا أيضًا عندما \(b=1\)، إذ يكون المجموع فارغًا. إذن تقع جميع قيم \(Q_n\)، من أجل \(n\geq N\)، في مجال واحد طوله \((b-1)(M-b)\). وبموجب (1)، \[ \left|\sum_{j=m+1}^{n}(a_j-b)\right| \leq (b-1)(M-b). \] أخيرًا، باستخدام \(M=2015\)، \[ (b-1)(2015-b) =1007^2-(b-1008)^2 \leq1007^2. \] وهذا يثبت المتباينة المطلوبة لكل \(n>m\geq N\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.