IMO 2016 · Problem 4
A set of positive integers is called fragrant if it contains at least two elements and each of its elements has a prime factor in common with at least one of the other elements. Let \(P(n)=n^2+n+1\). What is the least possible value of the positive integer \(b\) such that there exists a non-negative integer \(a\) for which the set \[ \{P(a+1),P(a+2),\ldots,P(a+b)\} \] is fragrant?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{6} \]
Solution
We first determine which primes can divide two nearby values of \(P\).
Suppose a prime \(p\) divides both \(P(n)\) and \(P(n+d)\), where \(d\ge1\). Since every value of \(P\) is odd, \(p\) is odd. Moreover, \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] Thus either \(p\mid d\), or \(2n+1\equiv-d\pmod p\). In the latter case, \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] Consequently, \[ p\mid d(d^2+3). \] In particular:
- Consecutive values \(P(n)\) and \(P(n+1)\) are coprime, since \(p\) would have to be an odd prime dividing \(4\).
- Values two places apart can share only the prime \(7\), since \(p\mid14\).
- Values three places apart can share only the prime \(3\), since \(p\mid36\).
Now write \(Q_i=P(a+i)\). These values are distinct because \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\) for \(n\ge1\).
We show that \(b\le5\) is impossible.
If \(b=1\), the set has too few elements. If \(b=2\), its elements are coprime. If \(b=3\), the middle element \(Q_2\) is coprime to both other elements.
If \(b=4\), the only possible partner for \(Q_2\) is \(Q_4\), so \(7\mid Q_2\). Likewise, the only possible partner for \(Q_3\) is \(Q_1\), so \(7\mid Q_3\). This contradicts the coprimality of consecutive values \(Q_2\) and \(Q_3\).
Finally, suppose \(b=5\). The middle element \(Q_3\) can share a prime factor only with \(Q_1\) or \(Q_5\), both two places away. Hence \(7\mid Q_3\). Because \(Q_2\) and \(Q_4\) are each coprime to \(Q_3\), neither is divisible by \(7\).
The element \(Q_2\) cannot share a prime factor with its neighbours \(Q_1,Q_3\), nor with \(Q_4\), since that would require divisibility by \(7\). Its partner must therefore be \(Q_5\), giving \(3\mid Q_2\). Similarly, \(Q_4\) must have \(Q_1\) as a partner, giving \(3\mid Q_4\). But \(Q_2\) and \(Q_4\) are two places apart, so their only possible common prime is \(7\), a contradiction.
Thus \(b\ge6\).
To attain \(b=6\), take \(a=195\). The six values can be paired as follows: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] Every element therefore shares a prime factor with another element, so this set is fragrant. The least possible value is \(\boxed{6}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 4
Eine Menge von positiven ganzen Zahlen heiße duftend, wenn sie mindestens zwei Elemente enthält und jedes ihrer Elemente mit wenigstens einem anderen ihrer Elemente mindestens einen Primfaktor gemeinsam hat. Es sei \(P(n) = n^2 + n + 1\). Man bestimme die kleinstmögliche positive ganze Zahl \(b\), für die eine nicht-negative ganze Zahl \(a\) existiert, sodass die Menge \[ \{P(a+1),P(a+2),\ldots,P(a+b)\} \] duftend ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{6} \]
Lösung
Wir bestimmen zunächst, welche Primzahlen zwei nahe beieinanderliegende Werte von \(P\) teilen können.
Angenommen, eine Primzahl \(p\) teilt sowohl \(P(n)\) als auch \(P(n+d)\), wobei \(d\ge1\) ist. Da jeder Wert von \(P\) ungerade ist, ist \(p\) ungerade. Außerdem gilt \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] Somit gilt entweder \(p\mid d\) oder \(2n+1\equiv-d\pmod p\). Im letzteren Fall ist \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] Folglich gilt \[ p\mid d(d^2+3). \] Insbesondere:
- Aufeinanderfolgende Werte \(P(n)\) und \(P(n+1)\) sind teilerfremd, da \(p\) eine ungerade Primzahl sein müsste, die \(4\) teilt.
- Werte im Abstand von zwei Stellen können nur die Primzahl \(7\) gemeinsam haben, da \(p\mid14\) gilt.
- Werte im Abstand von drei Stellen können nur die Primzahl \(3\) gemeinsam haben, da \(p\mid36\) gilt.
Nun schreiben wir \(Q_i=P(a+i)\). Diese Werte sind verschieden, denn für \(n\ge1\) gilt \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\).
Wir zeigen, dass \(b\le5\) unmöglich ist.
Ist \(b=1\), so hat die Menge zu wenige Elemente. Ist \(b=2\), so sind ihre Elemente teilerfremd. Ist \(b=3\), so ist das mittlere Element \(Q_2\) zu beiden anderen Elementen teilerfremd.
Ist \(b=4\), so ist der einzig mögliche Partner für \(Q_2\) das Element \(Q_4\), also gilt \(7\mid Q_2\). Ebenso ist der einzig mögliche Partner für \(Q_3\) das Element \(Q_1\), also gilt \(7\mid Q_3\). Dies widerspricht der Teilerfremdheit aufeinanderfolgender Werte \(Q_2\) und \(Q_3\).
Schließlich nehmen wir \(b=5\) an. Das mittlere Element \(Q_3\) kann nur mit \(Q_1\) oder \(Q_5\) einen Primfaktor gemeinsam haben, die beide zwei Stellen entfernt sind. Daher gilt \(7\mid Q_3\). Da \(Q_2\) und \(Q_4\) jeweils zu \(Q_3\) teilerfremd sind, ist keines von beiden durch \(7\) teilbar.
Das Element \(Q_2\) kann weder mit seinen Nachbarn \(Q_1,Q_3\) noch mit \(Q_4\) einen Primfaktor gemeinsam haben, da Letzteres Teilbarkeit durch \(7\) erfordern würde. Sein Partner muss daher \(Q_5\) sein, woraus \(3\mid Q_2\) folgt. Ebenso muss \(Q_4\) den Partner \(Q_1\) haben, woraus \(3\mid Q_4\) folgt. Aber \(Q_2\) und \(Q_4\) liegen zwei Stellen auseinander, sodass ihr einziger möglicher gemeinsamer Primfaktor \(7\) ist, ein Widerspruch.
Somit gilt \(b\ge6\).
Um \(b=6\) zu erreichen, wählen wir \(a=195\). Die sechs Werte lassen sich wie folgt paaren: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] Jedes Element hat daher mit einem anderen Element einen Primfaktor gemeinsam, sodass diese Menge duftend ist. Der kleinstmögliche Wert ist \(\boxed{6}\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 4
Pozitif tam sayılardan oluşan en az iki elemanlı bir kümede her eleman en az bir diğer elemanla ortak asal bölene sahipse, bu kümeye mis gibi diyelim. \(P(n)=n^2+n+1\) olsun. \(b\) bir pozitif tam sayı olmak üzere \[ \{P(a+1),P(a+2),\ldots,P(a+b)\} \] kümesi mis gibi olacak şekilde bir \(a\) negatif olmayan tam sayısı bulunuyorsa, \(b\) nin alabileceği en küçük değer nedir?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{6} \]
Çözüm
Önce hangi asal sayıların \(P\) nin birbirine yakın iki değerini bölebileceğini belirleyelim.
\(d\ge1\) olmak üzere, bir \(p\) asalının hem \(P(n)\) hem de \(P(n+d)\) yi böldüğünü varsayalım. \(P\) nin her değeri tek olduğundan \(p\) tektir. Ayrıca \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] Dolayısıyla ya \(p\mid d\) ya da \(2n+1\equiv-d\pmod p\) olur. İkinci durumda \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] Sonuç olarak \[ p\mid d(d^2+3). \] Özel olarak:
- Ardışık \(P(n)\) ve \(P(n+1)\) değerleri aralarında asaldır; çünkü aksi hâlde \(p\) nin \(4\) ü bölen tek bir asal olması gerekirdi.
- İndisleri arasında iki fark olan değerlerin tek olası ortak asal böleni \(7\) dir; çünkü \(p\mid14\) olur.
- İndisleri arasında üç fark olan değerlerin tek olası ortak asal böleni \(3\) tür; çünkü \(p\mid36\) olur.
Şimdi \(Q_i=P(a+i)\) yazalım. \(n\ge1\) için \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\) olduğundan bu değerler birbirinden farklıdır.
\(b\le5\) olmasının olanaksız olduğunu göstereceğiz.
\(b=1\) ise kümenin eleman sayısı yeterli değildir. \(b=2\) ise elemanları aralarında asaldır. \(b=3\) ise ortadaki \(Q_2\) elemanı diğer iki elemanın her biriyle aralarında asaldır.
\(b=4\) ise \(Q_2\) nin ortak asal bölen paylaşabileceği tek eleman \(Q_4\) tür, dolayısıyla \(7\mid Q_2\) olur. Aynı şekilde, \(Q_3\) ün ortak asal bölen paylaşabileceği tek eleman \(Q_1\) dir, dolayısıyla \(7\mid Q_3\) olur. Bu, ardışık \(Q_2\) ve \(Q_3\) değerlerinin aralarında asal olmasıyla çelişir.
Son olarak \(b=5\) olduğunu varsayalım. Ortadaki \(Q_3\) elemanı yalnızca indis farkı iki olan \(Q_1\) veya \(Q_5\) ile ortak bir asal bölen paylaşabilir. Dolayısıyla \(7\mid Q_3\) olur. \(Q_2\) ve \(Q_4\) ün her biri \(Q_3\) ile aralarında asal olduğundan, ikisi de \(7\) ile bölünmez.
\(Q_2\) elemanı, komşuları \(Q_1,Q_3\) ile ortak bir asal bölen paylaşamaz; \(Q_4\) ile de paylaşamaz, çünkü bu \(7\) ile bölünmeyi gerektirirdi. Dolayısıyla ortak asal bölen paylaştığı eleman \(Q_5\) olmalıdır; buradan \(3\mid Q_2\) çıkar. Benzer şekilde, \(Q_4\) ün ortak asal bölen paylaştığı eleman \(Q_1\) olmalıdır; buradan \(3\mid Q_4\) çıkar. Ancak \(Q_2\) ve \(Q_4\) ün indisleri arasında iki fark olduğundan, tek olası ortak asal bölenleri \(7\) dir; bu bir çelişkidir.
O hâlde \(b\ge6\) dır.
\(b=6\) değerine ulaşmak için \(a=195\) alalım. Altı değer aşağıdaki gibi eşleştirilebilir: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] Dolayısıyla her eleman başka bir elemanla ortak bir asal bölen paylaşır; yani bu küme mis gibidir. Alınabilecek en küçük değer \(\boxed{6}\) dır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 4
Un conjunto de números enteros positivos se llama fragante si contiene al menos dos elementos, y cada uno de sus elementos tiene algún factor primo en común con al menos uno de los elementos restantes. Sea \(P(n) = n^2 + n + 1\). Determinar el menor número entero positivo \(b\) para el cual existe algún número entero no negativo \(a\) tal que el conjunto \[ \{P(a + 1), P(a + 2), \ldots, P(a + b)\} \] es fragante.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{6} \]
Solución
Primero determinemos qué primos pueden dividir dos valores próximos de \(P\).
Supongamos que un primo \(p\) divide tanto a \(P(n)\) como a \(P(n+d)\), donde \(d\ge1\). Como todos los valores de \(P\) son impares, \(p\) es impar. Además, \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] Por tanto, o bien \(p\mid d\), o bien \(2n+1\equiv-d\pmod p\). En este último caso, \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] En consecuencia, \[ p\mid d(d^2+3). \] En particular:
- Los valores consecutivos \(P(n)\) y \(P(n+1)\) son coprimos, pues \(p\) tendría que ser un primo impar que dividiera a \(4\).
- Dos valores separados por dos posiciones solo pueden tener en común el primo \(7\), pues \(p\mid14\).
- Dos valores separados por tres posiciones solo pueden tener en común el primo \(3\), pues \(p\mid36\).
Escribamos ahora \(Q_i=P(a+i)\). Estos valores son distintos porque \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\) para \(n\ge1\).
Demostremos que \(b\le5\) es imposible.
Si \(b=1\), el conjunto tiene demasiado pocos elementos. Si \(b=2\), sus elementos son coprimos. Si \(b=3\), el elemento central \(Q_2\) es coprimo con los otros dos elementos.
Si \(b=4\), el único elemento con el que \(Q_2\) puede compartir un factor primo es \(Q_4\), por lo que \(7\mid Q_2\). Del mismo modo, el único elemento con el que \(Q_3\) puede compartir un factor primo es \(Q_1\), por lo que \(7\mid Q_3\). Esto contradice que los valores consecutivos \(Q_2\) y \(Q_3\) sean coprimos.
Por último, supongamos que \(b=5\). El elemento central \(Q_3\) solo puede compartir un factor primo con \(Q_1\) o con \(Q_5\), ambos a dos posiciones de distancia. Por tanto, \(7\mid Q_3\). Como tanto \(Q_2\) como \(Q_4\) son coprimos con \(Q_3\), ninguno de los dos es divisible por \(7\).
El elemento \(Q_2\) no puede compartir un factor primo con sus vecinos \(Q_1,Q_3\), ni con \(Q_4\), pues eso requeriría divisibilidad por \(7\). Por tanto, el elemento con el que comparte un factor primo debe ser \(Q_5\), lo que da \(3\mid Q_2\). Análogamente, \(Q_4\) debe compartir un factor primo con \(Q_1\), lo que da \(3\mid Q_4\). Pero \(Q_2\) y \(Q_4\) están separados por dos posiciones, por lo que su único primo común posible es \(7\), una contradicción.
Así pues, \(b\ge6\).
Para alcanzar \(b=6\), tomemos \(a=195\). Los seis valores se pueden emparejar como sigue: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] Por tanto, cada elemento comparte un factor primo con otro elemento, de modo que este conjunto es fragante. El menor valor posible es \(\boxed{6}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 4
一个由正整数构成的集合称为芳香集, 若它至少有两个元素, 且其中每个元素都与其它元素中的至少一个元素有公共的素因子. 设\(P(n)=n^2+n+1\). 试问: 正整数\(b\)最小为何值时能够存在一个非负整数\(a\), 使得集合 \[ \{P(a+1),P(a+2),\cdots,P(a+b)\} \] 是一个芳香集?
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{6} \]
解答
我们先确定哪些素数能够同时整除\(P\)在两个相近自变量处的值。
假设素数\(p\)同时整除\(P(n)\)和\(P(n+d)\),其中\(d\ge1\)。由于\(P\)的每个值均为奇数,\(p\)为奇数。此外, \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] 因此,或者\(p\mid d\),或者\(2n+1\equiv-d\pmod p\)。在后一种情形下, \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] 于是, \[ p\mid d(d^2+3). \] 特别地:
- 相邻的两个值\(P(n)\)和\(P(n+1)\)互素,因为否则\(p\)必须是整除\(4\)的奇素数。
- 下标相差二的两个值只能有公共素因子\(7\),因为\(p\mid14\)。
- 下标相差三的两个值只能有公共素因子\(3\),因为\(p\mid36\)。
现在记\(Q_i=P(a+i)\)。这些值互不相同,因为当\(n\ge1\)时,\(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\)。
我们证明\(b\le5\)不可能。
若\(b=1\),集合的元素个数不足。若\(b=2\),它的两个元素互素。若\(b=3\),中间的元素\(Q_2\)与另外两个元素均互素。
若\(b=4\),唯一可能与\(Q_2\)有公共素因子的元素是\(Q_4\),所以\(7\mid Q_2\)。同理,唯一可能与\(Q_3\)有公共素因子的元素是\(Q_1\),所以\(7\mid Q_3\)。这与相邻的两个值\(Q_2\)和\(Q_3\)互素矛盾。
最后,假设\(b=5\)。中间的元素\(Q_3\)只能与\(Q_1\)或\(Q_5\)有公共素因子,而它们的下标与其均相差二。因此\(7\mid Q_3\)。由于\(Q_2\)和\(Q_4\)都与\(Q_3\)互素,它们都不能被\(7\)整除。
元素\(Q_2\)不能与其相邻的元素\(Q_1,Q_3\)有公共素因子,也不能与\(Q_4\)有公共素因子,因为后一种情况要求它们能被\(7\)整除。因此,与它有公共素因子的元素必须是\(Q_5\),从而\(3\mid Q_2\)。同理,\(Q_4\)必须与\(Q_1\)有公共素因子,从而\(3\mid Q_4\)。但\(Q_2\)和\(Q_4\)的下标相差二,所以它们唯一可能的公共素因子是\(7\),矛盾。
因此\(b\ge6\)。
为使\(b=6\)成立,取\(a=195\)。这六个值可如下配对: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] 因此,每个元素都与另一个元素有公共素因子,所以该集合是芳香集。所求最小值为\(\boxed{6}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 4
Назовём множество, состоящее из положительных целых чисел, хрупким, если оно состоит не менее, чем из двух элементов, и каждый его элемент имеет общий простой делитель хотя бы с одним из остальных элементов этого множества. Пусть \(P(n)=n^2+n+1\). Найдите наименьшее положительное целое \(b\), для которого найдётся неотрицательное целое \(a\) такое, что множество \[ \{P(a+1),P(a+2),\ldots,P(a+b)\} \] является хрупким.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{6} \]
Решение
Сначала выясним, какие простые числа могут делить два значения \(P\) при близких аргументах.
Пусть простое число \(p\) делит и \(P(n)\), и \(P(n+d)\), где \(d\ge1\). Поскольку все значения \(P\) нечётны, \(p\) нечётно. Кроме того, \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] Поэтому либо \(p\mid d\), либо \(2n+1\equiv-d\pmod p\). Во втором случае \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] Следовательно, \[ p\mid d(d^2+3). \] В частности:
- Значения \(P(n)\) и \(P(n+1)\) при соседних аргументах взаимно просты, поскольку иначе \(p\) было бы нечётным простым делителем числа \(4\).
- Значения при аргументах, отличающихся на два, могут иметь лишь один общий простой делитель — \(7\), поскольку \(p\mid14\).
- Значения при аргументах, отличающихся на три, могут иметь лишь один общий простой делитель — \(3\), поскольку \(p\mid36\).
Теперь обозначим \(Q_i=P(a+i)\). Эти значения различны, поскольку \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\) при \(n\ge1\).
Покажем, что \(b\le5\) невозможно.
Если \(b=1\), в множестве слишком мало элементов. Если \(b=2\), его элементы взаимно просты. Если \(b=3\), средний элемент \(Q_2\) взаимно прост с обоими остальными элементами.
Если \(b=4\), единственным элементом, который может иметь общий простой делитель с \(Q_2\), является \(Q_4\), поэтому \(7\mid Q_2\). Аналогично, единственным элементом, который может иметь общий простой делитель с \(Q_3\), является \(Q_1\), поэтому \(7\mid Q_3\). Это противоречит взаимной простоте значений \(Q_2\) и \(Q_3\) при соседних аргументах.
Наконец, предположим, что \(b=5\). Средний элемент \(Q_3\) может иметь общий простой делитель только с \(Q_1\) или \(Q_5\), аргументы которых отличаются от его аргумента на два. Значит, \(7\mid Q_3\). Поскольку каждый из элементов \(Q_2\) и \(Q_4\) взаимно прост с \(Q_3\), ни один из них не делится на \(7\).
Элемент \(Q_2\) не может иметь общего простого делителя ни со своими соседями \(Q_1,Q_3\), ни с \(Q_4\), поскольку последнее потребовало бы делимости на \(7\). Поэтому он должен иметь общий простой делитель с \(Q_5\), откуда \(3\mid Q_2\). Аналогично, \(Q_4\) должен иметь общий простой делитель с \(Q_1\), откуда \(3\mid Q_4\). Но аргументы \(Q_2\) и \(Q_4\) отличаются на два, поэтому их единственным возможным общим простым делителем является \(7\); получено противоречие.
Таким образом, \(b\ge6\).
Чтобы достичь \(b=6\), возьмём \(a=195\). Шесть значений можно разбить на пары следующим образом: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] Следовательно, каждый элемент имеет общий простой делитель с другим элементом, так что это множество является хрупким. Наименьшее возможное значение равно \(\boxed{6}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 4
نقول عن مجموعة أعداد صحيحة موجبة إنّها عطرة إذا كانت تحتوي على عنصرين أو أكثر وكان كلّ عنصر فيها يشترك مع عنصر آخر على الأقلّ في عامل أوّلي. لتكن \(P(n)=n^2+n+1\). أوجد أصغر عدد صحيح موجب \(b\) بحيث يوجد عدد صحيح غير سالب \(a\) والذي يجعل المجموعة التالية \[ \{P(a+1),P(a+2),\ldots,P(a+b)\} \] عطرة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{6} \]
الحل
نحدّد أولًا الأعداد الأولية التي يمكن أن تقسم قيمتين متقاربتين لـ\(P\).
نفترض أنّ عددًا أوليًا \(p\) يقسم كلًا من \(P(n)\) و\(P(n+d)\)، حيث \(d\ge1\). بما أنّ كل قيمة لـ\(P\) فردية، فإنّ \(p\) فردي. وعلاوة على ذلك، \[ P(n+d)-P(n)=d(2n+d+1). \] إذن إمّا \(p\mid d\)، أو \(2n+1\equiv-d\pmod p\). وفي الحالة الأخيرة، \[ 0\equiv4P(n)=(2n+1)^2+3\equiv d^2+3\pmod p. \] وبالتالي، \[ p\mid d(d^2+3). \] وعلى وجه الخصوص:
- القيمتان المتتاليتان \(P(n)\) و\(P(n+1)\) أوليتان فيما بينهما، إذ يلزم أن يكون \(p\) عددًا أوليًا فرديًا يقسم \(4\).
- القيمتان اللتان يفصل بين موضعيهما اثنان لا يمكن أن تشتركا إلّا في العدد الأولي \(7\)، إذ إنّ \(p\mid14\).
- القيمتان اللتان يفصل بين موضعيهما ثلاثة لا يمكن أن تشتركا إلّا في العدد الأولي \(3\)، إذ إنّ \(p\mid36\).
نكتب الآن \(Q_i=P(a+i)\). هذه القيم متمايزة لأنّ \(P(n+1)-P(n)=2n+2>0\) عندما \(n\ge1\).
نبيّن أنّ \(b\le5\) مستحيل.
إذا كان \(b=1\)، فعدد عناصر المجموعة أقلّ من المطلوب. وإذا كان \(b=2\)، فعنصراها أوليان فيما بينهما. وإذا كان \(b=3\)، فالعنصر الأوسط \(Q_2\) أولي فيما بينه وبين كل من العنصرين الآخرين.
إذا كان \(b=4\)، فإنّ الشريك الممكن الوحيد لـ\(Q_2\) هو \(Q_4\)، ومن ثمّ \(7\mid Q_2\). وبالمثل، فإنّ الشريك الممكن الوحيد لـ\(Q_3\) هو \(Q_1\)، ومن ثمّ \(7\mid Q_3\). وهذا يناقض كون القيمتين المتتاليتين \(Q_2\) و\(Q_3\) أوليتين فيما بينهما.
أخيرًا، نفترض أنّ \(b=5\). لا يمكن للعنصر الأوسط \(Q_3\) أن يشترك في عامل أولي إلّا مع \(Q_1\) أو \(Q_5\)، ويفصل بين موضعه وموضع كل منهما اثنان. إذن \(7\mid Q_3\). وبما أنّ كلًا من \(Q_2\) و\(Q_4\) أولي فيما بينه وبين \(Q_3\)، فلا يقبل أيّ منهما القسمة على \(7\).
لا يمكن للعنصر \(Q_2\) أن يشترك في عامل أولي مع جاريه \(Q_1,Q_3\)، ولا مع \(Q_4\)، لأنّ ذلك يتطلب القابلية للقسمة على \(7\). لذا لا بدّ أن يكون شريكه هو \(Q_5\)، فنحصل على \(3\mid Q_2\). وبالمثل، لا بدّ أن يكون شريك \(Q_4\) هو \(Q_1\)، فنحصل على \(3\mid Q_4\). لكن يفصل بين موضعي \(Q_2\) و\(Q_4\) اثنان، ولذلك فإنّ العامل الأولي المشترك الوحيد الممكن بينهما هو \(7\)، وهذا تناقض.
إذن \(b\ge6\).
لتحقيق \(b=6\)، نأخذ \(a=195\). يمكن جمع القيم الست في أزواج كما يلي: \[ \begin{aligned} P(196)&=3\cdot12871, & P(199)&=3\cdot13267,\\ P(197)&=19\cdot2053, & P(201)&=19\cdot2137,\\ P(198)&=7\cdot5629, & P(200)&=7\cdot5743. \end{aligned} \] إذن يشترك كل عنصر في عامل أولي مع عنصر آخر، ومن ثمّ فهذه المجموعة عطرة. وأصغر قيمة ممكنة هي \(\boxed{6}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.