IMO 2018 · Problem 5
Let \(a_1,a_2,\ldots\) be an infinite sequence of positive integers. Suppose that there is an integer \(N>1\) such that, for each \(n\geq N\), the number \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\cdots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] is an integer. Prove that there is a positive integer \(M\) such that \(a_m=a_{m+1}\) for all \(m\geq M\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Denote the given sum by \(S_n\). For every \(n\geq N\), both \(S_n\) and \(S_{n+1}\) are integers, so \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] is an integer.
For each \(n\geq N\), write \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \gcd(p_n,q_n)=1. \] We will show that \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{and}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
Indeed, substituting the reduced fractions into the expression for \(k_n\) gives \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] Multiplying by \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) and rearranging, we obtain \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] It follows that \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] Since \(p_{n+1}\) and \(q_{n+1}\) are coprime, these imply the claimed divisibilities.
Thus both \((p_n)_{n\geq N}\) and \((q_n)_{n\geq N}\) are nonincreasing sequences of positive integers. Each can decrease only finitely many times, so there is an integer \(M\geq N\) such that \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{and}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] Consequently, \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2018 · Aufgabe 5
Es sei \(a_1,a_2,\ldots\) eine unendliche Folge positiver ganzer Zahlen. Es sei angenommen, dass eine ganze Zahl \(N>1\) existiert, so dass für jedes \(n\ge N\) die Zahl \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\cdots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] ganz ist. Man beweise, dass es eine positive ganze Zahl \(M\) gibt, so dass \(a_m=a_{m+1}\) für alle \(m\ge M\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir bezeichnen die gegebene Summe mit \(S_n\). Für jedes \(n\geq N\) sind sowohl \(S_n\) als auch \(S_{n+1}\) ganze Zahlen, also ist \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] eine ganze Zahl.
Für jedes \(n\geq N\) schreiben wir \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \operatorname{ggT}(p_n,q_n)=1. \] Wir werden zeigen, dass \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{und}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
Setzen wir nämlich die vollständig gekürzten Brüche in den Ausdruck für \(k_n\) ein, so erhalten wir \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] Durch Multiplikation mit \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) und Umstellen erhalten wir \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] Daraus folgt \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] Da \(p_{n+1}\) und \(q_{n+1}\) teilerfremd sind, folgen daraus die behaupteten Teilbarkeiten.
Somit sind sowohl \((p_n)_{n\geq N}\) als auch \((q_n)_{n\geq N}\) monoton nicht wachsende Folgen positiver ganzer Zahlen. Jede von ihnen kann nur endlich oft abnehmen, also gibt es eine ganze Zahl \(M\geq N\), sodass \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{und}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] Folglich gilt \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2018 · Soru 5
Bir \(a_1,a_2,\ldots\) sonsuz pozitif tam sayı dizisi ile bir \(N>1\) tam sayısı için \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\cdots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] ifadesi, her \(n\ge N\) için bir tam sayıya eşit oluyor. Her \(m\ge M\) için \(a_m=a_{m+1}\) olacak şekilde bir \(M\) pozitif tam sayısının bulunduğunu gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Verilen toplamı \(S_n\) ile gösterelim. Her \(n\geq N\) için hem \(S_n\) hem de \(S_{n+1}\) tam sayı olduğundan \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] bir tam sayıdır.
Her \(n\geq N\) için \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \operatorname{ebob}(p_n,q_n)=1 \] yazalım. \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{ve}\quad q_{n+1}\mid q_n \] olduğunu göstereceğiz.
Gerçekten, \(k_n\) nin ifadesinde sadeleştirilmiş kesirleri yerine koyarsak \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n \] elde ederiz. \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) ile çarpıp düzenleyerek \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1} \] buluruz. Buradan \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2} \] sonucu çıkar. \(p_{n+1}\) ve \(q_{n+1}\) aralarında asal olduğundan bunlar, iddia edilen bölünebilirlikleri verir.
Böylece hem \((p_n)_{n\geq N}\) hem de \((q_n)_{n\geq N}\), pozitif tam sayılardan oluşan artmayan dizilerdir. Her biri yalnızca sonlu sayıda kez azalabileceğinden, \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{ve}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M) \] olacak şekilde bir \(M\geq N\) tam sayısı vardır. Dolayısıyla, \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] elde edilir; istenen de budur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2018 · Problema 5
Sea \(a_1,a_2,\ldots\) una sucesión infinita de enteros positivos. Supongamos que existe un entero \(N>1\) tal que para cada \(n\ge N\) el número \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\cdots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] es entero. Demostrar que existe un entero positivo \(M\) tal que \(a_m=a_{m+1}\) para todo \(m\ge M\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos la suma dada por \(S_n\). Para todo \(n\geq N\), tanto \(S_n\) como \(S_{n+1}\) son enteros, por lo que \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] es un entero.
Para cada \(n\geq N\), escribamos \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \operatorname{mcd}(p_n,q_n)=1. \] Demostraremos que \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{y}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
En efecto, sustituyendo las fracciones irreducibles en la expresión de \(k_n\), obtenemos \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] Multiplicando por \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) y reordenando, obtenemos \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] Se deduce que \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] Como \(p_{n+1}\) y \(q_{n+1}\) son primos entre sí, estas relaciones implican las divisibilidades afirmadas.
Por tanto, tanto \((p_n)_{n\geq N}\) como \((q_n)_{n\geq N}\) son sucesiones no crecientes de enteros positivos. Cada una solo puede decrecer un número finito de veces, por lo que existe un entero \(M\geq N\) tal que \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{y}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] Por consiguiente, \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2018 · 问题 5
设\(a_1,a_2,\cdots\)是一个无限项正整数序列.已知存在整数\(N>1\),使得对每个整数\(n\ge N\), \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\cdots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] 都是整数.证明:存在正整数\(M\),使得\(a_m=a_{m+1}\)对所有整数\(m\ge M\)都成立.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
将给定的和记为\(S_n\)。对每个\(n\geq N\),\(S_n\)和\(S_{n+1}\)都是整数,因此 \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] 是整数。
对每个\(n\geq N\),写成 \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \gcd(p_n,q_n)=1. \] 我们将证明 \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{且}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
事实上,将这些既约分数代入\(k_n\)的表达式,得到 \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] 两边乘以\(q_np_{n+1}q_{n+1}\)并整理,得到 \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] 由此可得 \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] 由于\(p_{n+1}\)与\(q_{n+1}\)互素,这些关系蕴含了所要证明的整除关系。
因此,\((p_n)_{n\geq N}\)和\((q_n)_{n\geq N}\)都是单调不增的正整数数列。每个数列都只能下降有限次,所以存在整数\(M\geq N\),使得 \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{且}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] 于是, \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] 得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2018 · Задача 5
Пусть \(a_1,a_2,\ldots\) — бесконечная последовательность целых положительных чисел. Предположим, что существует целое число \(N>1\) такое, что при всех \(n\ge N\) число \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\ldots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] является целым. Докажите, что найдётся такое целое положительное \(M\), что \(a_m=a_{m+1}\) при всех \(m\ge M\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим данную сумму через \(S_n\). При каждом \(n\geq N\) обе суммы \(S_n\) и \(S_{n+1}\) целые, поэтому \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] — целое число.
Для каждого \(n\geq N\) запишем \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \operatorname{НОД}(p_n,q_n)=1. \] Покажем, что \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{и}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
Действительно, подставляя несократимые дроби в выражение для \(k_n\), получаем \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] Умножая на \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) и перегруппировывая слагаемые, получаем \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] Отсюда следует, что \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] Поскольку \(p_{n+1}\) и \(q_{n+1}\) взаимно просты, из этих соотношений следуют заявленные делимости.
Таким образом, обе последовательности \((p_n)_{n\geq N}\) и \((q_n)_{n\geq N}\) являются невозрастающими последовательностями целых положительных чисел. Каждая из них может убывать лишь конечное число раз, поэтому существует целое число \(M\geq N\) такое, что \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{и}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] Следовательно, \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2018 · المسألة 5
لتكن \(a_1,a_2,...\) متتابعة غير منتهية من الأعداد الصحيحة الموجبة. لنفرض وجود عدد صحيح \(N>1\) بحيث لكل \(n\ge N\)، يكون المقدار \[ \frac{a_1}{a_2}+\frac{a_2}{a_3}+\ldots+\frac{a_{n-1}}{a_n}+\frac{a_n}{a_1} \] عددًا صحيحًا. أثبت وجود عدد صحيح موجب \(M\) بحيث \(a_m=a_{m+1}\) لكل \(m\ge M\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنرمز إلى المجموع المعطى بـ \(S_n\). لكل \(n\geq N\)، يكون كل من \(S_n\) و \(S_{n+1}\) عددًا صحيحًا، ولذلك فإن \[ k_n:=S_{n+1}-S_n =\frac{a_n}{a_{n+1}}+\frac{a_{n+1}}{a_1}-\frac{a_n}{a_1} \] عدد صحيح.
لكل \(n\geq N\)، نكتب \[ \frac{a_n}{a_1}=\frac{p_n}{q_n}, \qquad p_n,q_n\in\mathbb Z_{>0}, \qquad \gcd(p_n,q_n)=1. \] سنبيّن أن \[ p_{n+1}\mid p_n \quad\text{و}\quad q_{n+1}\mid q_n. \]
بالفعل، بتعويض الكسور المختزلة في عبارة \(k_n\) نحصل على \[ \frac{p_nq_{n+1}}{q_np_{n+1}} +\frac{p_{n+1}}{q_{n+1}} -\frac{p_n}{q_n}=k_n. \] وبالضرب في \(q_np_{n+1}q_{n+1}\) وإعادة الترتيب، نحصل على \[ p_nq_{n+1}^{\,2}+q_np_{n+1}^{\,2} =(p_n+k_nq_n)p_{n+1}q_{n+1}. \] ينتج أن \[ p_{n+1}\mid p_nq_{n+1}^{\,2}, \qquad q_{n+1}\mid q_np_{n+1}^{\,2}. \] وبما أن \(p_{n+1}\) و \(q_{n+1}\) أوليان فيما بينهما، فإن هاتين العلاقتين تستلزمان علاقتي القابلية للقسمة المطلوبتين.
إذن كل من \((p_n)_{n\geq N}\) و \((q_n)_{n\geq N}\) متتالية غير متزايدة من الأعداد الصحيحة الموجبة. ولا يمكن لأي منهما أن تتناقص إلا عددًا منتهيًا من المرات، ولذلك يوجد عدد صحيح \(M\geq N\) بحيث \[ p_m=p_{m+1} \quad\text{و}\quad q_m=q_{m+1} \qquad(m\geq M). \] وعليه، \[ a_m=a_1\frac{p_m}{q_m} =a_1\frac{p_{m+1}}{q_{m+1}} =a_{m+1} \qquad(m\geq M), \] كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.