IMO 2019 · Problem 4
Find all pairs \((k,n)\) of positive integers such that \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\cdots(2^n - 2^{n-1}). \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{or}\ (3,2).} \]
Solution
Let \(v_2(a)\) denote the exponent of \(2\) in the prime factorization of a positive integer \(a\). Since \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] and every factor \(2^j-1\) is odd, the given equation implies \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] Counting multiples of \(2,4,8,\ldots\) among \(1,\ldots,k\), we obtain \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] Consequently, \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] Meanwhile, each of the \(n\) factors on the right-hand side of the original equation is less than \(2^n\), so \[ k!<2^{n^2}. \]
We now prove that \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{for every }n\ge5. \] For \(n=5\), this follows from \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] Suppose the inequality holds for some \(n\ge5\). Since \(m_{n+1}=m_n+n\) and \(m_n\ge11\), we have \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] where the last inequality uses \(n>1\). This completes the induction.
Thus \(n\ge5\) is impossible: it would give \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] contrary to \(k!<2^{n^2}\).
It remains to check \(n=1,2,3,4\):
- If \(n=1\), the equation is \(k!=1\), giving \(k=1\).
- If \(n=2\), the equation is \(k!=3\cdot2=6\), giving \(k=3\).
- If \(n=3\), the right-hand side is \(7\cdot6\cdot4=168\), and \[ 5!=120<168<720=6!, \] so there is no solution.
- If \(n=4\), the right-hand side is \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\), and \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] so there is no solution.
Both stated pairs satisfy the equation, completing the proof.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2019 · Aufgabe 4
Man bestimme alle Paare \((k,n)\) positiver ganzer Zahlen, so dass \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\cdots(2^n - 2^{n-1}). \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{oder}\ (3,2).} \]
Lösung
Sei \(v_2(a)\) der Exponent von \(2\) in der Primfaktorzerlegung einer positiven ganzen Zahl \(a\). Da \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1) \] gilt und jeder Faktor \(2^j-1\) ungerade ist, folgt aus der gegebenen Gleichung \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] Zählen wir die Vielfachen von \(2,4,8,\ldots\) unter \(1,\ldots,k\), so erhalten wir \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] Folglich gilt \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] Zugleich ist jeder der \(n\) Faktoren auf der rechten Seite der ursprünglichen Gleichung kleiner als \(2^n\), also \[ k!<2^{n^2}. \]
Wir beweisen nun, dass \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{für jedes }n\ge5. \] Für \(n=5\) folgt dies aus \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] Angenommen, die Ungleichung gilt für ein \(n\ge5\). Wegen \(m_{n+1}=m_n+n\) und \(m_n\ge11\) gilt \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] wobei die letzte Ungleichung \(n>1\) verwendet. Damit ist die Induktion abgeschlossen.
Somit ist \(n\ge5\) unmöglich: Daraus würde \[ k!\ge m_n!>2^{n^2} \] folgen, im Widerspruch zu \(k!<2^{n^2}\).
Es bleiben \(n=1,2,3,4\) zu prüfen:
- Für \(n=1\) lautet die Gleichung \(k!=1\), woraus \(k=1\) folgt.
- Für \(n=2\) lautet die Gleichung \(k!=3\cdot2=6\), woraus \(k=3\) folgt.
- Für \(n=3\) ist die rechte Seite \(7\cdot6\cdot4=168\), und es gilt \[ 5!=120<168<720=6!, \] also gibt es keine Lösung.
- Für \(n=4\) ist die rechte Seite \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\), und es gilt \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] also gibt es keine Lösung.
Beide angegebenen Paare erfüllen die Gleichung, womit der Beweis abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2019 · Soru 4
\[ k!=(2^n-1)(2^n-2)(2^n-4)\cdots(2^n-2^{n-1}) \] denklemini sağlayan tüm \((k,n)\) pozitif tam sayı ikililerini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{veya}\ (3,2).} \]
Çözüm
Bir \(a\) pozitif tam sayısının asal çarpanlarına ayrılışındaki \(2\)'nin üssünü \(v_2(a)\) ile gösterelim. \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] olduğundan ve her \(2^j-1\) çarpanı tek olduğundan, verilen denklemden \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2 \] çıkar. \(1,\ldots,k\) arasında \(2,4,8,\ldots\)'in katlarını sayarak \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k \] elde ederiz. Dolayısıyla, \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] Öte yandan, başlangıçtaki denklemin sağ tarafındaki \(n\) çarpanın her biri \(2^n\)'den küçüktür; bu nedenle \[ k!<2^{n^2}. \]
Şimdi \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{her }n\ge5 \] için geçerli olduğunu ispatlayalım. \(n=5\) için bu, \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25} \] eşitsizliğinden çıkar. Eşitsizliğin bir \(n\ge5\) için geçerli olduğunu varsayalım. \(m_{n+1}=m_n+n\) ve \(m_n\ge11\) olduğundan, \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] elde edilir; burada son eşitsizlikte \(n>1\) kullanılmıştır. Böylece tümevarım tamamlanır.
O hâlde \(n\ge5\) olanaksızdır: bu durumda \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] olurdu ve bu, \(k!<2^{n^2}\) ile çelişirdi.
Geriye \(n=1,2,3,4\) durumlarını kontrol etmek kalır:
- \(n=1\) ise denklem \(k!=1\) olur ve buradan \(k=1\) bulunur.
- \(n=2\) ise denklem \(k!=3\cdot2=6\) olur ve buradan \(k=3\) bulunur.
- \(n=3\) ise sağ taraf \(7\cdot6\cdot4=168\)'dir ve \[ 5!=120<168<720=6!, \] olduğundan çözüm yoktur.
- \(n=4\) ise sağ taraf \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\)'tır ve \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] olduğundan çözüm yoktur.
Belirtilen iki ikili de denklemi sağlar; böylece ispat tamamlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2019 · Problema 4
Encontrar todos los pares \((k,n)\) de enteros positivos tales que \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\cdots(2^n - 2^{n-1}). \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{o}\ (3,2).} \]
Solución
Sea \(v_2(a)\) el exponente de \(2\) en la descomposición en factores primos de un entero positivo \(a\). Puesto que \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] y cada factor \(2^j-1\) es impar, la ecuación dada implica \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] Contando los múltiplos de \(2,4,8,\ldots\) entre \(1,\ldots,k\), obtenemos \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] Por consiguiente, \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] Por otra parte, cada uno de los \(n\) factores del miembro derecho de la ecuación original es menor que \(2^n\), por lo que \[ k!<2^{n^2}. \]
Demostramos ahora que \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{para todo }n\ge5. \] Para \(n=5\), esto se deduce de \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] Supongamos que la desigualdad se cumple para algún \(n\ge5\). Como \(m_{n+1}=m_n+n\) y \(m_n\ge11\), tenemos \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] donde la última desigualdad utiliza \(n>1\). Esto completa la inducción.
Así pues, \(n\ge5\) es imposible: daría \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] en contradicción con \(k!<2^{n^2}\).
Queda comprobar \(n=1,2,3,4\):
- Si \(n=1\), la ecuación es \(k!=1\), lo que da \(k=1\).
- Si \(n=2\), la ecuación es \(k!=3\cdot2=6\), lo que da \(k=3\).
- Si \(n=3\), el miembro derecho es \(7\cdot6\cdot4=168\), y \[ 5!=120<168<720=6!, \] por lo que no hay solución.
- Si \(n=4\), el miembro derecho es \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\), y \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] por lo que no hay solución.
Ambos pares indicados satisfacen la ecuación, lo que completa la demostración.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2019 · 问题 4
求所有正整数对\((k,n)\), 满足 \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\cdots(2^n - 2^{n-1}). \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{或}\ (3,2).} \]
解答
用\(v_2(a)\)表示正整数\(a\)的素因数分解中\(2\)的指数。由于 \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] 且每个因子\(2^j-1\)都是奇数,由所给方程可得 \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] 分别计算\(1,\ldots,k\)中\(2,4,8,\ldots\)的倍数的个数,得到 \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] 因此, \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] 另一方面,原方程右端的\(n\)个因子都小于\(2^n\),所以 \[ k!<2^{n^2}. \]
现在证明 \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{对每个 }n\ge5. \] 当\(n=5\)时,由 \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] 可知结论成立。 假设该不等式对某个\(n\ge5\)成立。由于\(m_{n+1}=m_n+n\)且\(m_n\ge11\),有 \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] 其中最后一个不等式用到了\(n>1\)。归纳证明完成。
因此,\(n\ge5\)不可能成立:否则有 \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] 这与\(k!<2^{n^2}\)矛盾。
只需再检查\(n=1,2,3,4\):
- 若\(n=1\),方程为\(k!=1\),得\(k=1\)。
- 若\(n=2\),方程为\(k!=3\cdot2=6\),得\(k=3\)。
- 若\(n=3\),右端为\(7\cdot6\cdot4=168\),且 \[ 5!=120<168<720=6!, \] 所以无解。
- 若\(n=4\),右端为\(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\),且 \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] 所以无解。
所列的两对数都满足方程,证明完成。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2019 · Задача 4
Найдите все пары \((k,n)\) целых положительных чисел такие, что \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\cdots(2^n - 2^{n-1}). \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{или}\ (3,2).} \]
Решение
Обозначим через \(v_2(a)\) показатель степени \(2\) в разложении положительного целого числа \(a\) на простые множители. Поскольку \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] а каждый множитель \(2^j-1\) нечётен, из данного уравнения следует \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] Подсчитывая числа, кратные \(2,4,8,\ldots\), среди \(1,\ldots,k\), получаем \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] Следовательно, \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] В то же время каждый из \(n\) множителей в правой части исходного уравнения меньше \(2^n\), поэтому \[ k!<2^{n^2}. \]
Теперь докажем, что \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{для всех }n\ge5. \] При \(n=5\) это следует из \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] Предположим, что неравенство верно для некоторого \(n\ge5\). Поскольку \(m_{n+1}=m_n+n\) и \(m_n\ge11\), имеем \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] где в последнем неравенстве использовано \(n>1\). Индукция завершена.
Таким образом, \(n\ge5\) невозможно: тогда было бы \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] что противоречит \(k!<2^{n^2}\).
Остаётся проверить \(n=1,2,3,4\):
- Если \(n=1\), уравнение имеет вид \(k!=1\), откуда \(k=1\).
- Если \(n=2\), уравнение имеет вид \(k!=3\cdot2=6\), откуда \(k=3\).
- Если \(n=3\), правая часть равна \(7\cdot6\cdot4=168\), и \[ 5!=120<168<720=6!, \] поэтому решений нет.
- Если \(n=4\), правая часть равна \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\), и \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] поэтому решений нет.
Обе указанные пары удовлетворяют уравнению, что завершает доказательство.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2019 · المسألة 4
أوجد جميع الأزواج الصحيحة الموجبة \((k,n)\) التي تحقق المعادلة: \[ k! = (2^n - 1)(2^n - 2)(2^n - 4)\ldots(2^n - 2^{n-1}) \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{(k,n)=(1,1)\ \text{أو}\ (3,2).} \]
الحل
ليرمز \(v_2(a)\) إلى أسّ \(2\) في التحليل إلى عوامل أولية لعدد صحيح موجب \(a\). بما أن \[ \prod_{j=0}^{n-1}(2^n-2^j) = 2^{n(n-1)/2}\prod_{j=1}^{n}(2^j-1), \] وكل عامل \(2^j-1\) فردي، فإن المعادلة المعطاة تقتضي \[ v_2(k!)=\frac{n(n-1)}2. \] بعدّ مضاعفات \(2,4,8,\ldots\) بين \(1,\ldots,k\)، نحصل على \[ v_2(k!)=\sum_{r\ge1}\left\lfloor\frac{k}{2^r}\right\rfloor <\sum_{r\ge1}\frac{k}{2^r}=k. \] وبالتالي، \[ k\ge m_n,\qquad m_n:=\frac{n(n-1)}2+1. \] وفي الوقت نفسه، كل عامل من العوامل الـ\(n\) في الطرف الأيمن من المعادلة الأصلية أصغر من \(2^n\)، لذا \[ k!<2^{n^2}. \]
نثبت الآن أن \[ m_n!>2^{n^2}\qquad\text{لكل }n\ge5. \] عندما يكون \(n=5\)، ينتج ذلك من \[ m_5!=11!=39\,916\,800>33\,554\,432=2^{25}. \] لنفترض أن المتباينة تصح لبعض \(n\ge5\). بما أن \(m_{n+1}=m_n+n\) و\(m_n\ge11\)، فإن \[ m_{n+1}! =m_n!\prod_{t=1}^{n}(m_n+t) >2^{n^2}\,8^n =2^{n^2+3n} >2^{(n+1)^2}, \] حيث استخدمنا \(n>1\) في المتباينة الأخيرة. وهذا يكمل الاستقراء.
إذن الحالة \(n\ge5\) مستحيلة: إذ ستعطي \[ k!\ge m_n!>2^{n^2}, \] خلافًا لـ\(k!<2^{n^2}\).
يبقى التحقق من \(n=1,2,3,4\):
- إذا كان \(n=1\)، فالمعادلة هي \(k!=1\)، ومنها \(k=1\).
- إذا كان \(n=2\)، فالمعادلة هي \(k!=3\cdot2=6\)، ومنها \(k=3\).
- إذا كان \(n=3\)، فالطرف الأيمن هو \(7\cdot6\cdot4=168\)، و \[ 5!=120<168<720=6!, \] لذا لا يوجد حل.
- إذا كان \(n=4\)، فالطرف الأيمن هو \(15\cdot14\cdot12\cdot8=20\,160\)، و \[ 7!=5\,040<20\,160<40\,320=8!, \] لذا لا يوجد حل.
كلا الزوجين المذكورين يحقق المعادلة، وبذلك يكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.