IMO 2016 · Problem 5
The equation \[ (x-1)(x-2)\cdots(x-2016)=(x-1)(x-2)\cdots(x-2016) \] is written on the board, with 2016 linear factors on each side. What is the least possible value of \(k\) for which it is possible to erase exactly \(k\) of these \(4032\) linear factors so that at least one factor remains on each side and the resulting equation has no real solutions?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{2016} \]
Solution
For each \(i\in\{1,\ldots,2016\}\), at least one of the two copies of \(x-i\) must be erased. Otherwise, \(x=i\) makes both sides zero and is a real solution. Consequently, \[ k\ge2016. \]
We construct an example attaining this bound. Retain the factors whose indices are congruent to \(0\) or \(1\pmod4\) on the left, and those whose indices are congruent to \(2\) or \(3\pmod4\) on the right. The resulting equation is \(P(x)=Q(x)\), where \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] Exactly one copy of every original factor was erased, so there were \(2016\) erasures, and \(1008\) factors remain on each side.
We prove that \(P(x)<Q(x)\) for every real \(x\).
Write \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] Then \[ B_j=A_j+2. \] Moreover, \(A_j\le0\) precisely when \(x\in[4j+1,4j+4]\). These intervals are pairwise disjoint, so at most one \(A_j\) is nonpositive.
First suppose that every \(B_j\ge0\). If every \(A_j>0\), multiplying \(A_j<B_j\) gives \(P(x)<Q(x)\). Otherwise, there is exactly one nonpositive \(A_t\), and all other \(A_j\) and \(B_j\) are positive. If \(A_t<0\), then \[ P(x)<0\le Q(x). \] If \(A_t=0\), then \(B_t=2\), so \[ P(x)=0<Q(x). \] Thus \(P(x)<Q(x)\) in all these cases.
It remains to consider the case \(B_t<0\) for some \(t\), which means \[ 4t+2<x<4t+3. \] Regroup the same factors as follows: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] For \(1\le j\le503\), put \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] We have \[ C_j=D_j+2. \] Also, \(D_j>0\): if \(j\le t\), both its roots are less than \(x\), since \(4j+2<x\); if \(j\ge t+1\), both its roots are greater than \(x\), since \(4j-1>x\). Hence \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
Finally, \(2<x<2015\), so the quantities \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] are positive, and \[ U-V=2014>0. \] Using the regrouped products, we obtain \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] Thus \(P(x)<Q(x)\) in this last case as well.
The constructed equation therefore has no real solutions. It attains the lower bound, proving that the least possible number of erasures is \(2016\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 5
Die Gleichung \[ (x-1)(x-2)\cdots(x-2016)=(x-1)(x-2)\cdots(x-2016), \] mit 2016 Linearfaktoren auf jeder Seite, steht auf einer Tafel. Man bestimme das kleinstmögliche \(k\), für das genau \(k\) dieser 4032 Linearfaktoren gelöscht werden können, sodass auf jeder Seite mindestens ein Linearfaktor verbleibt und die entstandene Gleichung keine reelle Lösung besitzt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{2016} \]
Lösung
Für jedes \(i\in\{1,\ldots,2016\}\) muss mindestens eines der beiden Exemplare von \(x-i\) gelöscht werden. Andernfalls werden für \(x=i\) beide Seiten null, und es liegt eine reelle Lösung vor. Folglich gilt \[ k\ge2016. \]
Wir konstruieren ein Beispiel, das diese Schranke erreicht. Auf der linken Seite behalten wir die Faktoren, deren Indizes kongruent zu \(0\) oder \(1\pmod4\) sind, und auf der rechten Seite diejenigen, deren Indizes kongruent zu \(2\) oder \(3\pmod4\) sind. Die entstehende Gleichung lautet \(P(x)=Q(x)\), wobei \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] Von jedem ursprünglichen Faktor wurde genau ein Exemplar gelöscht, sodass \(2016\) Löschungen vorgenommen wurden und auf jeder Seite \(1008\) Faktoren verbleiben.
Wir beweisen, dass \(P(x)<Q(x)\) für jedes reelle \(x\) gilt.
Wir schreiben \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] Dann gilt \[ B_j=A_j+2. \] Außerdem gilt \(A_j\le0\) genau dann, wenn \(x\in[4j+1,4j+4]\) ist. Diese Intervalle sind paarweise disjunkt, sodass höchstens ein \(A_j\) nichtpositiv ist.
Nehmen wir zunächst an, dass jedes \(B_j\ge0\) ist. Ist jedes \(A_j>0\), so ergibt die Multiplikation der Ungleichungen \(A_j<B_j\), dass \(P(x)<Q(x)\) gilt. Andernfalls gibt es genau ein nichtpositives \(A_t\), und alle anderen \(A_j\) und \(B_j\) sind positiv. Ist \(A_t<0\), so gilt \[ P(x)<0\le Q(x). \] Ist \(A_t=0\), so ist \(B_t=2\), also gilt \[ P(x)=0<Q(x). \] Somit gilt in all diesen Fällen \(P(x)<Q(x)\).
Es bleibt der Fall zu betrachten, dass \(B_t<0\) für ein \(t\) gilt, was \[ 4t+2<x<4t+3 \] bedeutet. Wir gruppieren dieselben Faktoren wie folgt neu: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] Für \(1\le j\le503\) setzen wir \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] Es gilt \[ C_j=D_j+2. \] Außerdem ist \(D_j>0\): Ist \(j\le t\), so sind seine beiden Nullstellen kleiner als \(x\), da \(4j+2<x\) gilt; ist \(j\ge t+1\), so sind seine beiden Nullstellen größer als \(x\), da \(4j-1>x\) gilt. Daher gilt \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
Schließlich ist \(2<x<2015\), sodass die Größen \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] positiv sind, und es gilt \[ U-V=2014>0. \] Mithilfe der neu gruppierten Produkte erhalten wir \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] Somit gilt auch in diesem letzten Fall \(P(x)<Q(x)\).
Die konstruierte Gleichung hat daher keine reellen Lösungen. Sie erreicht die untere Schranke und beweist damit, dass die kleinstmögliche Anzahl von Löschungen \(2016\) ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 5
Tahtaya \[ (x-1)(x-2)\cdots(x-2016)=(x-1)(x-2)\cdots(x-2016) \] denklemi yazılmıştır (denklemin her iki tarafında 2016 şar lineer çarpan bulunuyor). Bu 4032 lineer çarpandan tam olarak \(k\) tanesi, her iki tarafta en az birer çarpan kalacak ve geriye kalan denklemin hiç reel çözümü olmayacak şekilde silinebiliyorsa \(k\) nin alabileceği en küçük değer nedir?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{2016} \]
Çözüm
Her \(i\in\{1,\ldots,2016\}\) için, \(x-i\) nin iki kopyasından en az biri silinmelidir. Aksi hâlde \(x=i\) her iki tarafı da sıfır yapar ve bir reel çözüm olur. Dolayısıyla \[ k\ge2016. \]
Bu sınıra ulaşan bir örnek kuracağız. Sol tarafta indisleri \(0\) veya \(1\pmod4\) ile denk olan çarpanları, sağ tarafta ise indisleri \(2\) veya \(3\pmod4\) ile denk olan çarpanları bırakalım. Elde edilen denklem \(P(x)=Q(x)\) olup burada \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] Başlangıçtaki her çarpanın tam bir kopyası silindiğinden, toplam \(2016\) çarpan silinmiş ve her iki tarafta \(1008\) çarpan kalmıştır.
Her reel \(x\) için \(P(x)<Q(x)\) olduğunu kanıtlayacağız.
\[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3) \] yazalım. O zaman \[ B_j=A_j+2. \] Ayrıca \(A_j\le0\) olması için gerek ve yeter koşul \(x\in[4j+1,4j+4]\) olmasıdır. Bu aralıklar ikişer ikişer ayrık olduğundan, \(A_j\) lerden en fazla biri pozitif olmayabilir.
Önce her \(B_j\ge0\) olduğunu varsayalım. Her \(A_j>0\) ise \(A_j<B_j\) eşitsizliklerini çarparak \(P(x)<Q(x)\) elde ederiz. Aksi hâlde, pozitif olmayan tam bir \(A_t\) vardır ve diğer bütün \(A_j\) ve \(B_j\) ler pozitiftir. \(A_t<0\) ise \[ P(x)<0\le Q(x). \] \(A_t=0\) ise \(B_t=2\) olur, dolayısıyla \[ P(x)=0<Q(x). \] Böylece bütün bu durumlarda \(P(x)<Q(x)\) olur.
Geriye, bir \(t\) için \(B_t<0\) olması durumu kalır; bu da \[ 4t+2<x<4t+3 \] anlamına gelir. Aynı çarpanları aşağıdaki gibi yeniden gruplayalım: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] \(1\le j\le503\) için \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2) \] alalım. Buradan \[ C_j=D_j+2. \] Ayrıca \(D_j>0\) dır: \(j\le t\) ise \(4j+2<x\) olduğundan her iki kökü de \(x\) ten küçüktür; \(j\ge t+1\) ise \(4j-1>x\) olduğundan her iki kökü de \(x\) ten büyüktür. Dolayısıyla \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
Son olarak, \(2<x<2015\) olduğundan \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] nicelikleri pozitiftir ve \[ U-V=2014>0. \] Yeniden gruplanmış çarpımları kullanarak \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x) \] elde ederiz. Böylece bu son durumda da \(P(x)<Q(x)\) olur.
Dolayısıyla kurduğumuz denklemin reel çözümü yoktur. Bu örnek alt sınıra ulaştığından, silinebilecek en az çarpan sayısının \(2016\) olduğunu kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 5
En la pizarra está escrita la ecuación \[ (x - 1)(x - 2)\cdots(x - 2016) = (x - 1)(x - 2)\cdots(x - 2016) \] que tiene 2016 factores lineales en cada lado. Determinar el menor valor posible de \(k\) para el cual pueden borrarse exactamente \(k\) de estos 4032 factores lineales, de modo que al menos quede un factor en cada lado y la ecuación que resulte no tenga soluciones reales.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{2016} \]
Solución
Para cada \(i\in\{1,\ldots,2016\}\), debe borrarse al menos una de las dos copias de \(x-i\). De lo contrario, \(x=i\) hace que ambos miembros sean cero y es una solución real. Por consiguiente, \[ k\ge2016. \]
Construyamos un ejemplo que alcance esta cota. Conservemos en el miembro izquierdo los factores cuyos índices son congruentes con \(0\) o \(1\pmod4\), y en el derecho aquellos cuyos índices son congruentes con \(2\) o \(3\pmod4\). La ecuación resultante es \(P(x)=Q(x)\), donde \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] Se ha borrado exactamente una copia de cada factor original, por lo que se han borrado \(2016\) factores, y quedan \(1008\) factores en cada miembro.
Demostremos que \(P(x)<Q(x)\) para todo \(x\) real.
Escribamos \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] Entonces \[ B_j=A_j+2. \] Además, \(A_j\le0\) precisamente cuando \(x\in[4j+1,4j+4]\). Estos intervalos son disjuntos dos a dos, por lo que a lo sumo uno de los \(A_j\) es no positivo.
Supongamos primero que todos los \(B_j\ge0\). Si todos los \(A_j>0\), al multiplicar las desigualdades \(A_j<B_j\) obtenemos \(P(x)<Q(x)\). En caso contrario, hay exactamente un \(A_t\) no positivo, y todos los demás \(A_j\) y \(B_j\) son positivos. Si \(A_t<0\), entonces \[ P(x)<0\le Q(x). \] Si \(A_t=0\), entonces \(B_t=2\), por lo que \[ P(x)=0<Q(x). \] Así, \(P(x)<Q(x)\) en todos estos casos.
Queda por considerar el caso \(B_t<0\) para algún \(t\), lo que significa que \[ 4t+2<x<4t+3. \] Reagrupemos los mismos factores de la siguiente manera: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] Para \(1\le j\le503\), pongamos \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] Tenemos \[ C_j=D_j+2. \] Además, \(D_j>0\): si \(j\le t\), sus dos raíces son menores que \(x\), pues \(4j+2<x\); si \(j\ge t+1\), sus dos raíces son mayores que \(x\), pues \(4j-1>x\). Por tanto, \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
Por último, \(2<x<2015\), por lo que las cantidades \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] son positivas, y \[ U-V=2014>0. \] Usando los productos reagrupados, obtenemos \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] Así, \(P(x)<Q(x)\) también en este último caso.
Por tanto, la ecuación construida no tiene soluciones reales. Alcanza la cota inferior, lo que demuestra que el menor número posible de factores que hay que borrar es \(2016\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 5
在黑板上写有方程 \[ (x-1)(x-2)\cdots(x-2016)=(x-1)(x-2)\cdots(x-2016), \] 其中等号两边各有2016个一次因式. 试问: 正整数\(k\)最小为何值时, 可以在等号两边擦去这4032个一次因式中的恰好\(k\)个, 使得等号每一边都至少留下一个一次因式, 且所得到的方程没有实数根?
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{2016} \]
解答
对于每个\(i\in\{1,\ldots,2016\}\),两个\(x-i\)因式中必须至少擦去一个。否则,\(x=i\)使两边都为零,从而是一个实数解。因此, \[ k\ge2016. \]
我们构造一个达到此下界的例子。在左边保留下标同余于\(0\)或\(1\pmod4\)的因式,在右边保留下标同余于\(2\)或\(3\pmod4\)的因式。所得方程为\(P(x)=Q(x)\),其中 \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] 每个原有因式的两个副本中恰好擦去了一个,因此共擦去\(2016\)个因式,两边各留下\(1008\)个因式。
我们证明,对于每个实数\(x\),都有\(P(x)<Q(x)\)。
记 \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] 则 \[ B_j=A_j+2. \] 此外,\(A_j\le0\)当且仅当\(x\in[4j+1,4j+4]\)。这些区间两两不交,因此至多有一个\(A_j\)非正。
先假设每个\(B_j\ge0\)。若每个\(A_j>0\),将\(A_j<B_j\)相乘即得\(P(x)<Q(x)\)。否则,恰有一个非正的\(A_t\),其余所有\(A_j\)和\(B_j\)均为正。若\(A_t<0\),则 \[ P(x)<0\le Q(x). \] 若\(A_t=0\),则\(B_t=2\),所以 \[ P(x)=0<Q(x). \] 因此,在以上所有情形下均有\(P(x)<Q(x)\)。
只需再考虑某个\(t\)满足\(B_t<0\)的情形,即 \[ 4t+2<x<4t+3. \] 将这些因式重新分组如下: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] 对于\(1\le j\le503\),令 \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] 有 \[ C_j=D_j+2. \] 此外,\(D_j>0\):若\(j\le t\),由于\(4j+2<x\),它的两个根均小于\(x\);若\(j\ge t+1\),由于\(4j-1>x\),它的两个根均大于\(x\)。因此 \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
最后,\(2<x<2015\),所以 \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] 均为正数,且 \[ U-V=2014>0. \] 利用重新分组后的乘积,得到 \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] 因此,在这最后一种情形下也有\(P(x)<Q(x)\)。
所以构造出的方程没有实数解。该构造达到了下界,从而证明所需擦去的因式个数的最小值为\(2016\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 5
На доске записано уравнение \[ (x-1)(x-2)\ldots(x-2016)=(x-1)(x-2)\ldots(x-2016). \] Таким образом, в каждой его части записано по 2016 линейных сомножителей. Найдите наименьшее возможное значение \(k\), при котором можно стереть ровно \(k\) из этих 4032 линейных сомножителей так, чтобы в каждой части осталось хотя бы по одному из сомножителей и получившееся уравнение не имело вещественных корней.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{2016} \]
Решение
Для каждого \(i\in\{1,\ldots,2016\}\) необходимо стереть хотя бы один из двух экземпляров сомножителя \(x-i\). В противном случае при \(x=i\) обе части обращаются в нуль, и это значение является вещественным корнем. Следовательно, \[ k\ge2016. \]
Построим пример, в котором достигается эта оценка. Оставим слева сомножители, индексы которых сравнимы с \(0\) или \(1\pmod4\), а справа — те, индексы которых сравнимы с \(2\) или \(3\pmod4\). Получится уравнение \(P(x)=Q(x)\), где \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] Мы стёрли ровно один экземпляр каждого исходного сомножителя, то есть всего \(2016\) сомножителей, и в каждой части осталось по \(1008\) сомножителей.
Докажем, что \(P(x)<Q(x)\) для любого вещественного \(x\).
Обозначим \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] Тогда \[ B_j=A_j+2. \] Кроме того, \(A_j\le0\) тогда и только тогда, когда \(x\in[4j+1,4j+4]\). Эти отрезки попарно не пересекаются, поэтому не более одного \(A_j\) неположительно.
Сначала предположим, что все \(B_j\ge0\). Если все \(A_j>0\), то, перемножая неравенства \(A_j<B_j\), получаем \(P(x)<Q(x)\). В противном случае существует ровно одно неположительное \(A_t\), а все остальные \(A_j\) и \(B_j\) положительны. Если \(A_t<0\), то \[ P(x)<0\le Q(x). \] Если \(A_t=0\), то \(B_t=2\), поэтому \[ P(x)=0<Q(x). \] Таким образом, во всех этих случаях \(P(x)<Q(x)\).
Остаётся рассмотреть случай \(B_t<0\) для некоторого \(t\), что означает \[ 4t+2<x<4t+3. \] Перегруппируем те же сомножители следующим образом: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] Для \(1\le j\le503\) положим \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] Имеем \[ C_j=D_j+2. \] Кроме того, \(D_j>0\): если \(j\le t\), оба его корня меньше \(x\), поскольку \(4j+2<x\); если \(j\ge t+1\), оба его корня больше \(x\), поскольку \(4j-1>x\). Значит, \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
Наконец, \(2<x<2015\), поэтому величины \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] положительны, и \[ U-V=2014>0. \] Используя перегруппированные произведения, получаем \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] Таким образом, и в этом последнем случае \(P(x)<Q(x)\).
Следовательно, построенное уравнение не имеет вещественных корней. В нём достигается нижняя оценка, что доказывает: наименьшее возможное число стираемых сомножителей равно \(2016\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 5
تمّ كتابة المعادلة \[ (x-1)(x-2)\cdots(x-2016)=(x-1)(x-2)\cdots(x-2016) \] على السبورة، والتي تحوي في كلّ طرف من طرفيها على \(2016\) عامل خطّي. ما هي أصغر قيمة ممكنة للعدد \(k\) التي لأجلها يمكننا محو \(k\) من هذه العوامل الخطية التي عددها \(4032\) بحيث يبقى على الأقلّ عامل في كلّ طرف وتكون المعادلة الجديدة بدون جذور حقيقية؟
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{2016} \]
الحل
لكل \(i\in\{1,\ldots,2016\}\)، لا بدّ من محو إحدى نسختي \(x-i\) على الأقل. وإلّا، فإنّ \(x=i\) يجعل الطرفين صفرًا ويكون حلًا حقيقيًا. وبالتالي، \[ k\ge2016. \]
ننشئ مثالًا يحقّق هذا الحد. نُبقي في الطرف الأيسر العوامل التي توافق قرائنها \(0\) أو \(1\pmod4\)، وفي الطرف الأيمن العوامل التي توافق قرائنها \(2\) أو \(3\pmod4\). المعادلة الناتجة هي \(P(x)=Q(x)\)، حيث \[ P(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-1)(x-4j-4), \qquad Q(x)=\prod_{j=0}^{503}(x-4j-2)(x-4j-3). \] مُحيت نسخة واحدة بالضبط من كل عامل أصلي، ولذلك بلغ عدد العوامل الممحوة \(2016\)، وبقي \(1008\) عوامل في كل طرف.
نثبت أنّ \(P(x)<Q(x)\) لكل عدد حقيقي \(x\).
نكتب \[ A_j=(x-4j-1)(x-4j-4),\qquad B_j=(x-4j-2)(x-4j-3). \] عندئذ \[ B_j=A_j+2. \] وعلاوة على ذلك، فإنّ \(A_j\le0\) إذا وفقط إذا كان \(x\in[4j+1,4j+4]\). هذه المجالات متباينة اثنين اثنين، ولذلك لا يوجد أكثر من حد واحد \(A_j\) غير موجب.
نفترض أولًا أنّ كل \(B_j\ge0\). إذا كان كل \(A_j>0\)، فإنّ ضرب المتراجحات \(A_j<B_j\) يعطينا \(P(x)<Q(x)\). وإلّا، يوجد حد واحد بالضبط \(A_t\) غير موجب، وتكون جميع الحدود الأخرى \(A_j\) و\(B_j\) موجبة. إذا كان \(A_t<0\)، فإنّ \[ P(x)<0\le Q(x). \] وإذا كان \(A_t=0\)، فإنّ \(B_t=2\)، ومن ثمّ \[ P(x)=0<Q(x). \] إذن \(P(x)<Q(x)\) في جميع هذه الحالات.
يبقى النظر في الحالة \(B_t<0\) لبعض \(t\)، وهو ما يعني \[ 4t+2<x<4t+3. \] نعيد تجميع العوامل نفسها كما يلي: \[ P(x)=(x-1)(x-2016) \prod_{j=1}^{503}(x-4j)(x-4j-1), \] \[ Q(x)=(x-2)(x-2015) \prod_{j=1}^{503}(x-4j+1)(x-4j-2). \] لكل \(1\le j\le503\)، نضع \[ C_j=(x-4j)(x-4j-1),\qquad D_j=(x-4j+1)(x-4j-2). \] لدينا \[ C_j=D_j+2. \] كذلك، \(D_j>0\): فإذا كان \(j\le t\)، كان كلا جذريه أصغر من \(x\)، لأنّ \(4j+2<x\)؛ وإذا كان \(j\ge t+1\)، كان كلا جذريه أكبر من \(x\)، لأنّ \(4j-1>x\). إذن \[ C_j>D_j>0 \qquad(1\le j\le503). \]
أخيرًا، \(2<x<2015\)، ولذلك فإنّ الكميتين \[ U=(x-1)(2016-x),\qquad V=(x-2)(2015-x) \] موجبتان، ولدينا \[ U-V=2014>0. \] باستخدام الجداءين بعد إعادة التجميع، نحصل على \[ -P(x)=U\prod_{j=1}^{503}C_j > V\prod_{j=1}^{503}D_j =-Q(x). \] إذن \(P(x)<Q(x)\) في هذه الحالة الأخيرة أيضًا.
وعليه، ليس للمعادلة المنشأة أي حلول حقيقية. وهي تحقّق الحد الأدنى، ممّا يثبت أنّ أصغر عدد ممكن من العوامل الممحوة هو \(2016\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.