IMO 2017 · Problem 6
An ordered pair \((x, y)\) of integers is a primitive point if the greatest common divisor of \(x\) and \(y\) is \(1\). Given a finite set \(S\) of primitive points, prove that there exist a positive integer \(n\) and integers \(a_0, a_1, \ldots, a_n\) such that, for each \((x, y)\) in \(S\), we have: \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We shall construct a homogeneous polynomial of positive even degree, with integer coefficients, which takes the value \(1\) at every point of \(S\). If \(S\) is empty, the polynomial \(X^2\) suffices, so assume \(S\) is nonempty.
First, two primitive points lying on the same line through the origin must be equal or opposite. Indeed, suppose \[ (x',y')=t(x,y). \] By Bézout’s identity, there are integers \(r,s\) with \(rx+sy=1\). Consequently, \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] and then \[ 1=\gcd(x',y')=|t|\gcd(x,y)=|t|. \] Thus \(t=\pm1\).
Choose representatives \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] from the distinct lines through the origin containing points of \(S\). Every point of \(S\) is therefore some \(P_i\) or \(-P_i\). Since our polynomial will have even degree, it is enough to obtain value \(1\) at the representatives.
For each \(i\), define \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] Empty products are understood to be \(1\). The representatives lie on distinct lines, so every \(d_i\) is a nonzero integer. Moreover, \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] Set \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] In particular, each \(d_i\) divides \(M\).
We next construct a homogeneous polynomial that is congruent to \(1\) modulo \(M\) at every primitive point. Write the prime factorization as \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] Choose a positive integer \(k\) such that \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{and}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{for every }\nu, \] where \(\varphi\) is Euler’s totient function. Such a \(k\) exists by taking a sufficiently large common multiple.
Consider \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] Fix a primitive point \((x,y)\) and a prime power \(p_\nu^{e_\nu}\) in \(M\). For any integer \(z\), \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] The first case follows from \(k\ge e_\nu\), and the second from Euler’s theorem. Because \(x\) and \(y\) are coprime, their \(k\)-th powers are congruent to one of \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] modulo \(p_\nu^{e_\nu}\). In each case, \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] Since these prime powers are pairwise coprime, we conclude that \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] at every primitive point.
For each \(i\), Bézout’s identity also gives integers \(u_i,v_i\) such that \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] Put \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\), so \(L_i(P_i)=1\). Since \(d_i\mid M\), the numbers \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] are integers.
Now define \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] The exponent is nonnegative because \(k\ge m\). Each summand has degree \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] so \(F\) is homogeneous of degree \(2k\) and has integer coefficients.
At \(P_j\), every term in the sum except the \(j\)-th vanishes. Hence \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] Its degree is even, so \(F(-P_j)=F(P_j)=1\) as well. Thus \(F\) takes the value \(1\) everywhere on \(S\).
Finally, expanding \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] gives the required integers \(a_0,\ldots,a_{2k}\), with the positive integer \(n=2k\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2017 · Aufgabe 6
Ein geordnetes Paar \((x,y)\) ganzer Zahlen heißt teilerfremder Gitterpunkt, wenn der größte gemeinsame Teiler von \(x\) und \(y\) eins ist. Für eine gegebene endliche Menge \(S\) teilerfremder Gitterpunkte beweise man, dass es eine positive ganze Zahl \(n\) und ganze Zahlen \(a_0,a_1,\ldots,a_n\) gibt, so dass für alle \((x,y)\) in \(S\) gilt: \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1. \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir konstruieren ein homogenes Polynom von positivem geradem Grad mit ganzzahligen Koeffizienten, das an jedem Punkt von \(S\) den Wert \(1\) annimmt. Ist \(S\) leer, so genügt das Polynom \(X^2\); wir nehmen daher an, dass \(S\) nicht leer ist.
Zunächst müssen zwei teilerfremde Gitterpunkte auf derselben Geraden durch den Ursprung gleich oder entgegengesetzt sein. Nehmen wir nämlich an, dass \[ (x',y')=t(x,y). \] Nach der Identität von Bézout gibt es ganze Zahlen \(r,s\) mit \(rx+sy=1\). Folglich gilt \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] und dann \[ 1=\operatorname{ggT}(x',y')=|t|\operatorname{ggT}(x,y)=|t|. \] Also ist \(t=\pm1\).
Wir wählen Repräsentanten \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] auf den verschiedenen Geraden durch den Ursprung, die Punkte von \(S\) enthalten. Jeder Punkt von \(S\) ist daher ein \(P_i\) oder \(-P_i\). Da unser Polynom geraden Grad haben wird, genügt es, an den Repräsentanten den Wert \(1\) zu erhalten.
Für jedes \(i\) definieren wir \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] Leere Produkte werden als \(1\) verstanden. Die Repräsentanten liegen auf verschiedenen Geraden, also ist jedes \(d_i\) eine von null verschiedene ganze Zahl. Außerdem gilt \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] Wir setzen \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] Insbesondere teilt jedes \(d_i\) die Zahl \(M\).
Als Nächstes konstruieren wir ein homogenes Polynom, das an jedem teilerfremden Gitterpunkt kongruent zu \(1\) modulo \(M\) ist. Wir schreiben die Primfaktorzerlegung als \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] Wir wählen eine positive ganze Zahl \(k\) so, dass \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{und}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{für jedes }\nu, \] wobei \(\varphi\) die eulersche Phi-Funktion ist. Ein solches \(k\) erhält man, indem man ein hinreichend großes gemeinsames Vielfaches wählt.
Wir betrachten \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] Wir fixieren einen teilerfremden Gitterpunkt \((x,y)\) und eine Primzahlpotenz \(p_\nu^{e_\nu}\) in \(M\). Für jede ganze Zahl \(z\) gilt \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] Der erste Fall folgt aus \(k\ge e_\nu\), der zweite aus dem Satz von Euler. Da \(x\) und \(y\) teilerfremd sind, ist das Paar ihrer \(k\)-ten Potenzen zu einem der Paare \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] modulo \(p_\nu^{e_\nu}\) kongruent. In jedem Fall gilt \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] Da diese Primzahlpotenzen paarweise teilerfremd sind, folgt \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] an jedem teilerfremden Gitterpunkt.
Für jedes \(i\) liefert die Identität von Bézout außerdem ganze Zahlen \(u_i,v_i\) mit \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] Wir setzen \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\), sodass \(L_i(P_i)=1\) gilt. Wegen \(d_i\mid M\) sind die Zahlen \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] ganzzahlig.
Nun definieren wir \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] Der Exponent ist wegen \(k\ge m\) nichtnegativ. Jeder Summand hat den Grad \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] also ist \(F\) homogen vom Grad \(2k\) und hat ganzzahlige Koeffizienten.
An \(P_j\) verschwindet jeder Summand der Summe außer dem \(j\)-ten. Daher gilt \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] Da sein Grad gerade ist, gilt auch \(F(-P_j)=F(P_j)=1\). Somit nimmt \(F\) überall auf \(S\) den Wert \(1\) an.
Schließlich liefert die Entwicklung \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] die gesuchten ganzen Zahlen \(a_0,\ldots,a_{2k}\), mit der positiven ganzen Zahl \(n=2k\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2017 · Soru 6
\(x\) ve \(y\) tam sayıları aralarında asalsa \((x,y)\) sıralı ikilisine temel ikili diyelim. Sonlu sayıda temel ikiliden oluşan herhangi bir \(S\) kümesi verilmiş olsun. Aşağıdaki şartı sağlayan bir \(n\) pozitif tam sayısı ve \(a_0,a_1,\ldots,a_n\) tam sayıları bulunabileceğini gösteriniz:
\[ S\text{ deki her }(x,y)\text{ için }a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1\text{ dir.} \]
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Pozitif çift dereceli, tam sayı katsayılı ve \(S\)'nin her noktasında \(1\) değerini alan bir homojen polinom oluşturacağız. \(S\) boş ise \(X^2\) polinomu yeterlidir; bu nedenle \(S\)'nin boş olmadığını varsayalım.
Öncelikle, orijinden geçen aynı doğru üzerindeki iki temel ikili birbirine eşit veya birbirinin negatifi olmak zorundadır. Gerçekten de \[ (x',y')=t(x,y) \] olduğunu varsayalım. Bézout özdeşliğine göre \(rx+sy=1\) olacak şekilde \(r,s\) tam sayıları vardır. Dolayısıyla \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] ve ardından \[ 1=\operatorname{ebob}(x',y')=|t|\operatorname{ebob}(x,y)=|t| \] elde edilir. Böylece \(t=\pm1\) olur.
Orijinden geçen ve \(S\)'nin noktalarını içeren farklı doğrulardan \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] temsilcilerini seçelim. Böylece \(S\)'nin her noktası bir \(P_i\) veya \(-P_i\)'dir. Polinomumuz çift dereceli olacağından, temsilcilerde \(1\) değerini elde etmek yeterlidir.
Her \(i\) için \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i) \] olarak tanımlayalım. Boş çarpımlar \(1\) kabul edilir. Temsilciler farklı doğrular üzerinde bulunduğundan, her \(d_i\) sıfırdan farklı bir tam sayıdır. Ayrıca, \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i| \] alalım. Özellikle her \(d_i\), \(M\)'yi böler.
Şimdi her temel ikilide \(M\) modunda \(1\)'e denk olan bir homojen polinom oluşturacağız. Asal çarpanlara ayrılışı \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu} \] olarak yazalım. \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{ve}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{her }\nu\text{ için}, \] olacak şekilde bir pozitif \(k\) tam sayısı seçelim; burada \(\varphi\), Euler'in totient fonksiyonudur. Yeterince büyük bir ortak kat alınarak böyle bir \(k\) bulunabilir.
\[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k \] polinomunu ele alalım. Bir \((x,y)\) temel ikilisi ve \(M\)'nin çarpanlarına ayrılışındaki bir \(p_\nu^{e_\nu}\) asal kuvvetini sabitleyelim. Herhangi bir \(z\) tam sayısı için, \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] İlk durum \(k\ge e_\nu\) eşitsizliğinden, ikinci durum ise Euler teoreminden çıkar. \(x\) ve \(y\) aralarında asal olduğundan, bunların \(k\)'nci kuvvetleri \(p_\nu^{e_\nu}\) modunda \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] ikililerinden birine denktir. Her durumda, \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] Bu asal kuvvetler ikişer ikişer aralarında asal olduğundan, her temel ikilide \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] olduğu sonucuna varırız.
Her \(i\) için Bézout özdeşliği ayrıca \[ u_ix_i+v_iy_i=1 \] olacak şekilde \(u_i,v_i\) tam sayılarını verir. \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\) alalım; böylece \(L_i(P_i)=1\) olur. \(d_i\mid M\) olduğundan, \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] sayıları tam sayıdır.
Şimdi \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1} \] olarak tanımlayalım. \(k\ge m\) olduğundan üs negatif değildir. Her toplananın derecesi \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] olduğundan, \(F\), \(2k\) dereceli homojen bir polinomdur ve tam sayı katsayılıdır.
\(P_j\)'de, toplamın \(j\)'nci terimi dışındaki her terimi sıfır olur. Dolayısıyla \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] Derecesi çift olduğundan \(F(-P_j)=F(P_j)=1\) de olur. Böylece \(F\), \(S\)'nin her noktasında \(1\) değerini alır.
Son olarak, \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] açılımı, pozitif \(n=2k\) tam sayısıyla birlikte istenen \(a_0,\ldots,a_{2k}\) tam sayılarını verir. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2017 · Problema 6
Un par ordenado \((x,y)\) de enteros es un punto primitivo si el máximo común divisor de \(x\) e \(y\) es 1. Dado un conjunto finito \(S\) de puntos primitivos, demostrar que existen un entero positivo \(n\) y enteros \(a_0,a_1,\ldots,a_n\) tales que, para cada \((x,y)\) de \(S\), se cumple: \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Construiremos un polinomio homogéneo de grado par positivo, con coeficientes enteros, que tome el valor \(1\) en cada punto de \(S\). Si \(S\) es vacío, basta el polinomio \(X^2\), por lo que supondremos que \(S\) no es vacío.
En primer lugar, dos puntos primitivos que se encuentran en la misma recta que pasa por el origen deben ser iguales u opuestos. En efecto, supongamos que \[ (x',y')=t(x,y). \] Por la identidad de Bézout, existen enteros \(r,s\) tales que \(rx+sy=1\). En consecuencia, \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] y entonces \[ 1=\operatorname{mcd}(x',y')=|t|\operatorname{mcd}(x,y)=|t|. \] Así pues, \(t=\pm1\).
Elijamos representantes \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] de las distintas rectas que pasan por el origen y contienen puntos de \(S\). Por tanto, cada punto de \(S\) es algún \(P_i\) o \(-P_i\). Como nuestro polinomio tendrá grado par, basta con que tome el valor \(1\) en los representantes.
Para cada \(i\), definamos \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] Los productos vacíos se consideran iguales a \(1\). Los representantes se encuentran en rectas distintas, por lo que cada \(d_i\) es un entero no nulo. Además, \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] Pongamos \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] En particular, cada \(d_i\) divide a \(M\).
A continuación construimos un polinomio homogéneo que sea congruente con \(1\) módulo \(M\) en cada punto primitivo. Escribamos la factorización en números primos como \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] Elijamos un entero positivo \(k\) tal que \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{y}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{para todo }\nu, \] donde \(\varphi\) es la función phi de Euler. Tal \(k\) existe tomando un múltiplo común suficientemente grande.
Consideremos \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] Fijemos un punto primitivo \((x,y)\) y una potencia de primo \(p_\nu^{e_\nu}\) de la factorización de \(M\). Para cualquier entero \(z\), \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] El primer caso se deduce de \(k\ge e_\nu\), y el segundo del teorema de Euler. Como \(x\) e \(y\) son coprimos, sus potencias \(k\)-ésimas son congruentes con uno de los pares \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] módulo \(p_\nu^{e_\nu}\). En cada caso, \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] Como estas potencias de primos son coprimas dos a dos, concluimos que \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] en cada punto primitivo.
Para cada \(i\), la identidad de Bézout también proporciona enteros \(u_i,v_i\) tales que \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] Pongamos \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\), de modo que \(L_i(P_i)=1\). Como \(d_i\mid M\), los números \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] son enteros.
Definamos ahora \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] El exponente es no negativo porque \(k\ge m\). Cada sumando tiene grado \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] por lo que \(F\) es homogéneo de grado \(2k\) y tiene coeficientes enteros.
En \(P_j\), todos los términos de la suma salvo el \(j\)-ésimo se anulan. Por consiguiente, \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] Su grado es par, por lo que también \(F(-P_j)=F(P_j)=1\). Así, \(F\) toma el valor \(1\) en todos los puntos de \(S\).
Finalmente, al desarrollar \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] obtenemos los enteros requeridos \(a_0,\ldots,a_{2k}\), con el entero positivo \(n=2k\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2017 · 问题 6
一个本原格点是一个有序整数对 \((x,y)\),其中 \(x\) 和 \(y\) 的最大公约数是 \(1\)。给定一个有限的本原格点集 \(S\),证明,存在一个正整数 \(n\) 和整数 \(a_0,a_1,\ldots,a_n\),使得对于 \(S\) 中的每一个 \((x,y)\) 都成立: \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们将构造一个次数为正偶数的整系数齐次多项式,使其在 \(S\) 中每一点的值都为 \(1\)。若 \(S\) 为空集,多项式 \(X^2\) 即满足要求,所以假设 \(S\) 非空。
首先,位于同一条过原点的直线上的两个本原格点必定相同或互为相反点。事实上,假设 \[ (x',y')=t(x,y). \] 由裴蜀等式,存在整数 \(r,s\) 使得 \(rx+sy=1\)。因此, \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] 进而 \[ 1=\gcd(x',y')=|t|\gcd(x,y)=|t|. \] 所以 \(t=\pm1\)。
从包含 \(S\) 中点的各条不同的过原点直线上选取代表点 \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] 因此,\(S\) 中的每一点都是某个 \(P_i\) 或 \(-P_i\)。由于我们构造的多项式的次数将为偶数,只需使其在这些代表点处的值为 \(1\)。
对每个 \(i\),定义 \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] 约定空积为 \(1\)。这些代表点位于不同的直线上,所以每个 \(d_i\) 都是非零整数。此外, \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] 令 \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] 特别地,每个 \(d_i\) 都整除 \(M\)。
接下来构造一个齐次多项式,使其在每个本原格点处的值模 \(M\) 同余于 \(1\)。将 \(M\) 作素因数分解,写成 \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] 选取正整数 \(k\),使得 \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{且}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{对每个 }\nu, \] 其中 \(\varphi\) 为欧拉函数。取一个足够大的公倍数,就能得到这样的 \(k\)。
考虑 \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] 固定一个本原格点 \((x,y)\) 和 \(M\) 的素幂因子 \(p_\nu^{e_\nu}\)。对任意整数 \(z\), \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] 第一种情形由 \(k\ge e_\nu\) 得到,第二种情形由欧拉定理得到。由于 \(x\) 与 \(y\) 互素,它们的 \(k\) 次幂模 \(p_\nu^{e_\nu}\) 同余于 \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] 中的一对。每种情形下都有 \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] 由于这些素幂两两互素,可得在每个本原格点处都有 \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \]
对每个 \(i\),由裴蜀等式还可得到整数 \(u_i,v_i\),使得 \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] 令 \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\),则 \(L_i(P_i)=1\)。由于 \(d_i\mid M\),数 \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] 均为整数。
现在定义 \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] 由于 \(k\ge m\),指数非负。每个加项的次数为 \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] 所以 \(F\) 是次数为 \(2k\) 的整系数齐次多项式。
在 \(P_j\) 处,和式中除第 \(j\) 项外的所有项都为零。因此 \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] 其次数为偶数,所以也有 \(F(-P_j)=F(P_j)=1\)。因此,\(F\) 在 \(S\) 的每一点都取值 \(1\)。
最后,展开为 \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] 便得到所求的整数 \(a_0,\ldots,a_{2k}\),其中正整数 \(n=2k\)。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2017 · Задача 6
Упорядоченная пара \((x,y)\) целых чисел называется примитивной точкой, если наибольший общий делитель чисел \(x\) и \(y\) равен 1. Дано конечное множество \(S\) примитивных точек. Докажите, что существуют натуральное \(n\) и целые \(a_0,\ a_1,\ \ldots,\ a_n\) такие, что для каждой примитивной точки \((x,y)\) из \(S\) выполнено равенство \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\cdots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Мы построим однородный многочлен положительной чётной степени с целыми коэффициентами, принимающий значение \(1\) в каждой точке \(S\). Если \(S\) пусто, подходит многочлен \(X^2\), поэтому будем считать, что \(S\) непусто.
Сначала заметим, что две примитивные точки, лежащие на одной прямой, проходящей через начало координат, обязательно совпадают или противоположны. Действительно, пусть \[ (x',y')=t(x,y). \] По тождеству Безу существуют целые числа \(r,s\), для которых \(rx+sy=1\). Следовательно, \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] и тогда \[ 1=\operatorname{НОД}(x',y')=|t|\operatorname{НОД}(x,y)=|t|. \] Таким образом, \(t=\pm1\).
Выберем представителей \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] на различных прямых, проходящих через начало координат и содержащих точки \(S\). Поэтому каждая точка \(S\) совпадает с некоторой \(P_i\) или \(-P_i\). Поскольку наш многочлен будет иметь чётную степень, достаточно добиться значения \(1\) в выбранных представителях.
Для каждого \(i\) определим \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] Пустые произведения считаются равными \(1\). Представители лежат на различных прямых, поэтому каждое \(d_i\) — ненулевое целое число. Кроме того, \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] Положим \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] В частности, каждое \(d_i\) делит \(M\).
Теперь построим однородный многочлен, значение которого в любой примитивной точке сравнимо с \(1\) по модулю \(M\). Запишем разложение на простые множители в виде \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] Выберем положительное целое число \(k\) так, чтобы \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{и}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{для каждого }\nu, \] где \(\varphi\) — функция Эйлера. Такое \(k\) можно получить, взяв достаточно большое общее кратное.
Рассмотрим \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] Зафиксируем примитивную точку \((x,y)\) и степень простого числа \(p_\nu^{e_\nu}\), входящую в разложение \(M\). Для любого целого \(z\) \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] Первый случай следует из \(k\ge e_\nu\), а второй — из теоремы Эйлера. Поскольку \(x\) и \(y\) взаимно просты, пара их \(k\)-х степеней сравнима с одной из пар \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] по модулю \(p_\nu^{e_\nu}\). В каждом случае \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] Поскольку эти степени простых чисел попарно взаимно просты, заключаем, что \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] в каждой примитивной точке.
Для каждого \(i\) тождество Безу также даёт целые числа \(u_i,v_i\), для которых \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] Положим \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\), так что \(L_i(P_i)=1\). Поскольку \(d_i\mid M\), числа \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] целые.
Теперь определим \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] Показатель степени неотрицателен, поскольку \(k\ge m\). Каждое слагаемое имеет степень \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] поэтому \(F\) — однородный многочлен степени \(2k\) с целыми коэффициентами.
В точке \(P_j\) все слагаемые суммы, кроме \(j\)-го, обращаются в нуль. Следовательно, \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] Его степень чётна, поэтому также \(F(-P_j)=F(P_j)=1\). Таким образом, \(F\) принимает значение \(1\) во всех точках \(S\).
Наконец, разложение \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] даёт требуемые целые числа \(a_0,\ldots,a_{2k}\) с положительным целым \(n=2k\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2017 · المسألة 6
يقال عن زوج مرتب من الأعداد الصحيحة \((x,y)\) أنه بدائي إذا كان القاسم المشترك الأكبر للعددين \(x\) و \(y\) يساوي \(1\). لتكن \(S\) مجموعة منتهية من الأزواج البدائية، أثبت أنه يوجد عدد صحيح موجب \(n\) و أعداد صحيحة \(a_0,a_1,\ldots,a_n\) بحيث لكل \((x,y)\) في \(S\) لدينا \[ a_0x^n+a_1x^{n-1}y+a_2x^{n-2}y^2+\ldots+a_{n-1}xy^{n-1}+a_ny^n=1 \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
سننشئ كثيرة حدود متجانسة ذات درجة زوجية موجبة ومعاملات صحيحة، تأخذ القيمة \(1\) عند كل نقطة من \(S\). إذا كانت \(S\) خالية، فإن كثيرة الحدود \(X^2\) تفي بالغرض، لذا نفترض أن \(S\) غير خالية.
أولًا، أي نقطتين بدائيتين تقعان على المستقيم نفسه المار بنقطة الأصل لا بد أن تكونا متساويتين أو متقابلتين. بالفعل، لنفترض أن \[ (x',y')=t(x,y). \] بمتطابقة بيزو، يوجد عددان صحيحان \(r,s\) بحيث \(rx+sy=1\). وبالتالي، \[ t=rx'+sy'\in\mathbb Z, \] ثم \[ 1=\gcd(x',y')=|t|\gcd(x,y)=|t|. \] إذن \(t=\pm1\).
نختار ممثلين \[ P_i=(x_i,y_i),\qquad 1\le i\le m, \] من المستقيمات المتمايزة المارة بنقطة الأصل والتي تحتوي على نقاط من \(S\). لذلك فإن كل نقطة من \(S\) هي إحدى النقطتين \(P_i\) أو \(-P_i\) لبعض \(i\). وبما أن كثيرة الحدود التي سننشئها ستكون ذات درجة زوجية، فيكفي أن تأخذ القيمة \(1\) عند الممثلين.
لكل \(i\)، نعرّف \[ Q_i(X,Y)=\prod_{\substack{1\le j\le m\\j\ne i}}(y_jX-x_jY), \qquad d_i=Q_i(x_i,y_i). \] نعدّ حاصل الضرب الخالي مساويًا لـ \(1\). يقع الممثلون على مستقيمات متمايزة، لذا فإن كل \(d_i\) عدد صحيح غير صفري. علاوة على ذلك، \[ Q_i(P_j)=0\qquad(j\ne i). \] نضع \[ M=2\prod_{i=1}^{m}|d_i|. \] على وجه الخصوص، يقسم كل \(d_i\) العدد \(M\).
ننشئ الآن كثيرة حدود متجانسة توافق \(1\) بترديد \(M\) عند كل نقطة بدائية. نكتب التحليل إلى عوامل أولية على الصورة \[ M=\prod_{\nu=1}^{t}p_\nu^{e_\nu}. \] نختار عددًا صحيحًا موجبًا \(k\) بحيث \[ k\ge \max(m,e_1,\ldots,e_t) \quad\text{و}\quad \varphi(p_\nu^{e_\nu})\mid k \quad\text{لكل }\nu, \] حيث \(\varphi\) هي دالة أويلر. يوجد مثل هذا \(k\) بأخذ مضاعف مشترك كبير بما يكفي.
ننظر في \[ B(X,Y)=X^{2k}+Y^{2k}-X^kY^k. \] نثبت نقطة بدائية \((x,y)\) وقوة أولية \(p_\nu^{e_\nu}\) في تحليل \(M\). لكل عدد صحيح \(z\)، \[ z^k\equiv \begin{cases} 0\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\mid z,\\ 1\pmod{p_\nu^{e_\nu}},&p_\nu\nmid z. \end{cases} \] تنتج الحالة الأولى من \(k\ge e_\nu\)، والثانية من مبرهنة أويلر. وبما أن \(x\) و \(y\) أوليان فيما بينهما، فإن قوتيهما من الأس \(k\) توافقان أحد الأزواج \[ (1,0),\quad (0,1),\quad (1,1) \] بترديد \(p_\nu^{e_\nu}\). وفي كل حالة، \[ x^{2k}+y^{2k}-x^ky^k\equiv1\pmod{p_\nu^{e_\nu}}. \] بما أن هذه القوى الأولية أولية فيما بينها مثنى مثنى، نستنتج أن \[ B(x,y)\equiv1\pmod M \] عند كل نقطة بدائية.
لكل \(i\)، تعطينا متطابقة بيزو أيضًا عددين صحيحين \(u_i,v_i\) بحيث \[ u_ix_i+v_iy_i=1. \] نضع \(L_i(X,Y)=u_iX+v_iY\)، ومن ثم \(L_i(P_i)=1\). وبما أن \(d_i\mid M\)، فإن الأعداد \[ c_i=\frac{1-B(x_i,y_i)}{d_i} \] صحيحة.
نعرّف الآن \[ F(X,Y)=B(X,Y)+ \sum_{i=1}^{m}c_iQ_i(X,Y)L_i(X,Y)^{\,2k-m+1}. \] الأس غير سالب لأن \(k\ge m\). درجة كل حد من حدود المجموع هي \[ (m-1)+(2k-m+1)=2k, \] لذا فإن \(F\) متجانسة من الدرجة \(2k\) ولها معاملات صحيحة.
عند \(P_j\)، ينعدم كل حد من حدود المجموع باستثناء الحد ذي الفهرس \(j\). ومن ثم \[ F(P_j)=B(P_j)+c_jd_j=1. \] درجتها زوجية، لذا فإن \(F(-P_j)=F(P_j)=1\) أيضًا. وهكذا تأخذ \(F\) القيمة \(1\) في كل نقطة من \(S\).
أخيرًا، فإن نشر \[ F(X,Y)=\sum_{r=0}^{2k}a_rX^{2k-r}Y^r \] يعطينا الأعداد الصحيحة المطلوبة \(a_0,\ldots,a_{2k}\)، مع العدد الصحيح الموجب \(n=2k\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.