IMO 2022 · Problem 3
Let \(k\) be a positive integer and let \(S\) be a finite set of odd prime numbers. Prove that there is at most one way (up to rotation and reflection) to place the elements of \(S\) around a circle such that the product of any two neighbours is of the form \(x^2+x+k\) for some positive integer \(x\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(F(x)=x^2+x+k\). We prove the stronger statement in which \(x\) is allowed to be a nonnegative integer. Call two distinct primes \(a,b\) compatible if \(ab=F(x)\) for some integer \(x\geq0\).
We first establish two facts: a prime \(p\) has at most two compatible primes smaller than itself, and if there are two, they are compatible with each other.
Suppose distinct primes \(a,b<p\) satisfy \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] Since \(k>0\) and \(pa,pb<p^2\), we have \(u,v<p\). Also \(u\neq v\), because \(a\neq b\). Subtracting gives \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] As \(p\) is prime and \(0<|u-v|<p\), it follows that \(p\mid u+v+1\). But \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] so \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
If a third prime \(c<p\), distinct from \(a,b\), were compatible with \(p\), write \(pc=F(w)\), where \(0\leq w<p\). Applying the same argument to \(a,c\) gives \(u+w+1=p\). Together with (1), this yields \(w=v\), hence \(c=b\), a contradiction. Thus there are at most two smaller compatible primes.
Furthermore, dividing the subtraction identity by \(p\) and using (1), we obtain \[ a-b=u-v, \] and consequently \[ 2u+1=p+a-b. \] Therefore \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] The integer \(u-a\) might be negative, but \[ F(t)=F(-t-1) \] for every integer \(t\). One of \(t\) and \(-t-1\) is nonnegative, so \(ab=F(x)\) for some integer \(x\geq0\). This proves that \(a,b\) are compatible.
We now prove the stronger statement by induction on \(n=|S|\). For \(n\leq3\), all circular orderings are equivalent up to rotation and reflection, so the assertion holds.
Let \(n\geq4\), and assume the assertion holds for sets of \(n-1\) odd primes. If no admissible arrangement exists, there is nothing to prove. Otherwise, let \(p\) be the largest element of \(S\), and let \(a,b\) be its neighbours in an admissible arrangement.
Both \(a,b\) are smaller than \(p\) and compatible with it. By the first fact proved above, they are the only possible neighbours of \(p\); thus every admissible arrangement has \(a,b\) as the neighbours of \(p\).
Delete \(p\) from any such arrangement and join its former neighbours \(a,b\). By the second fact, \(a,b\) are compatible, so this produces an admissible arrangement of \(S\setminus\{p\}\). By induction, that smaller arrangement is unique up to rotation and reflection.
The original arrangement is recovered uniquely by inserting \(p\) between the adjacent elements \(a,b\). Hence the arrangement of \(S\) is also unique up to rotation and reflection.
This proves uniqueness even when nonnegative values of \(x\) are allowed, and therefore proves the required statement for positive values of \(x\). \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 3
Es seien \(k\) eine positive ganze Zahl und \(S\) eine endliche Menge ungerader Primzahlen. Man beweise, dass es (bis auf Drehung und Spiegelung) höchstens eine Möglichkeit gibt, die Elemente von \(S\) entlang eines Kreises so anzuordnen, dass das Produkt zweier beliebiger Nachbarn in der Form \(x^2+x+k\) mit einer geeigneten positiven ganzen Zahl \(x\) dargestellt werden kann.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \(F(x)=x^2+x+k\). Wir beweisen die stärkere Aussage, bei der \(x\) eine nichtnegative ganze Zahl sein darf. Zwei verschiedene Primzahlen \(a,b\) nennen wir verträglich, wenn \(ab=F(x)\) für eine ganze Zahl \(x\geq0\) gilt.
Zunächst beweisen wir zwei Tatsachen: Eine Primzahl \(p\) hat höchstens zwei kleinere verträgliche Primzahlen, und wenn es zwei gibt, sind diese miteinander verträglich.
Es seien \(a,b<p\) verschiedene Primzahlen mit \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] Wegen \(k>0\) und \(pa,pb<p^2\) gilt \(u,v<p\). Außerdem ist \(u\neq v\), da \(a\neq b\). Subtraktion ergibt \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] Da \(p\) eine Primzahl ist und \(0<|u-v|<p\) gilt, folgt \(p\mid u+v+1\). Es ist jedoch \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] also \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
Wäre eine dritte Primzahl \(c<p\), verschieden von \(a,b\), mit \(p\) verträglich, so könnten wir \(pc=F(w)\) mit \(0\leq w<p\) schreiben. Dasselbe Argument für \(a,c\) liefert \(u+w+1=p\). Zusammen mit (1) ergibt dies \(w=v\), also \(c=b\), einen Widerspruch. Somit gibt es höchstens zwei kleinere verträgliche Primzahlen.
Dividieren wir außerdem die durch Subtraktion erhaltene Identität durch \(p\) und verwenden (1), so erhalten wir \[ a-b=u-v, \] und folglich \[ 2u+1=p+a-b. \] Daher gilt \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] Die ganze Zahl \(u-a\) könnte negativ sein, aber es gilt \[ F(t)=F(-t-1) \] für jede ganze Zahl \(t\). Eine der Zahlen \(t\) und \(-t-1\) ist nichtnegativ, also gilt \(ab=F(x)\) für eine ganze Zahl \(x\geq0\). Damit ist bewiesen, dass \(a,b\) verträglich sind.
Wir beweisen nun die stärkere Aussage durch Induktion über \(n=|S|\). Für \(n\leq3\) sind alle Kreisanordnungen bis auf Drehung und Spiegelung gleich, sodass die Aussage gilt.
Es sei \(n\geq4\), und die Aussage gelte für Mengen von \(n-1\) ungeraden Primzahlen. Falls keine zulässige Anordnung existiert, ist nichts zu beweisen. Andernfalls sei \(p\) das größte Element von \(S\), und \(a,b\) seien seine Nachbarn in einer zulässigen Anordnung.
Beide Zahlen \(a,b\) sind kleiner als \(p\) und mit \(p\) verträglich. Nach der ersten oben bewiesenen Tatsache sind sie die einzigen möglichen Nachbarn von \(p\); somit hat jede zulässige Anordnung \(a,b\) als Nachbarn von \(p\).
Wir entfernen \(p\) aus einer beliebigen solchen Anordnung und verbinden seine bisherigen Nachbarn \(a,b\). Nach der zweiten Tatsache sind \(a,b\) verträglich, sodass dadurch eine zulässige Anordnung von \(S\setminus\{p\}\) entsteht. Nach Induktionsvoraussetzung ist diese kleinere Anordnung bis auf Drehung und Spiegelung eindeutig.
Die ursprüngliche Anordnung wird eindeutig wiederhergestellt, indem man \(p\) zwischen den benachbarten Elementen \(a,b\) einfügt. Daher ist auch die Anordnung von \(S\) bis auf Drehung und Spiegelung eindeutig.
Damit ist die Eindeutigkeit sogar dann bewiesen, wenn nichtnegative Werte von \(x\) zugelassen sind, und somit gilt die geforderte Aussage für positive Werte von \(x\). \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 3
\(k\) bir pozitif tam sayı ve \(S\) tek asal sayılardan oluşan sonlu bir küme olsun. \(S\) kümesinin tüm elemanlarının bir çember etrafına, yan yana olan herhangi iki elemanın çarpımının bir \(x\) pozitif tam sayısı için \(x^2+x+k\) formunda olması koşuluyla en fazla bir farklı şekilde dizilebileceğini gösteriniz (rotasyon ve yansımalar sonucu birbirinden elde edilebilen dizilimler aynı sayılmaktadır).
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(F(x)=x^2+x+k\) yazalım. \(x\)'in negatif olmayan bir tam sayı olmasına izin verilen daha güçlü önermeyi kanıtlayacağız. Bir \(x\geq0\) tam sayısı için \(ab=F(x)\) oluyorsa, birbirinden farklı \(a,b\) asal sayılarına uyumlu diyelim.
Önce iki olguyu kanıtlayacağız: bir \(p\) asal sayısının kendisinden küçük en fazla iki uyumlu asal sayısı vardır ve iki tane varsa bunlar birbirleriyle uyumludur.
Birbirinden farklı \(a,b<p\) asal sayıları \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0 \] eşitliklerini sağlasın. \(k>0\) ve \(pa,pb<p^2\) olduğundan \(u,v<p\) olur. Ayrıca \(a\neq b\) olduğundan \(u\neq v\)'dir. Çıkararak \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1) \] elde ederiz. \(p\) asal ve \(0<|u-v|<p\) olduğundan \(p\mid u+v+1\) sonucu çıkar. Ancak \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] olduğundan \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
\(a,b\)'den farklı üçüncü bir \(c<p\) asal sayısı \(p\) ile uyumlu olsaydı, \(0\leq w<p\) olmak üzere \(pc=F(w)\) yazardık. Aynı argümanı \(a,c\)'ye uygulamak \(u+w+1=p\) verir. (1) ile birlikte bu, \(w=v\) ve dolayısıyla \(c=b\) verir ki bu bir çelişkidir. Böylece kendisinden küçük en fazla iki uyumlu asal sayı vardır.
Ayrıca, çıkarma özdeşliğini \(p\)'ye bölüp (1)'i kullanarak \[ a-b=u-v, \] ve dolayısıyla \[ 2u+1=p+a-b \] elde ederiz. Bu nedenle \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] \(u-a\) tam sayısı negatif olabilir, ancak her \(t\) tam sayısı için \[ F(t)=F(-t-1) \] olur. \(t\) ve \(-t-1\) sayılarından biri negatif değildir; dolayısıyla bir \(x\geq0\) tam sayısı için \(ab=F(x)\) olur. Bu, \(a,b\)'nin uyumlu olduğunu kanıtlar.
Şimdi daha güçlü önermeyi \(n=|S|\) üzerinden tümevarımla kanıtlayacağız. \(n\leq3\) için tüm çembersel sıralamalar rotasyon ve yansımalara göre denktir; dolayısıyla önerme geçerlidir.
\(n\geq4\) olsun ve önermenin \(n-1\) tek asal sayıdan oluşan kümeler için geçerli olduğunu varsayalım. Koşula uygun bir dizilim yoksa kanıtlanacak bir şey yoktur. Aksi hâlde \(p\), \(S\)'nin en büyük elemanı, \(a,b\) de koşula uygun bir dizilimde onun komşuları olsun.
\(a,b\)'nin her ikisi de \(p\)'den küçüktür ve onunla uyumludur. Yukarıda kanıtlanan ilk olguya göre, \(p\)'nin mümkün olan tek komşuları bunlardır; dolayısıyla koşula uygun her dizilimde \(p\)'nin komşuları \(a,b\)'dir.
Böyle bir dizilimden \(p\)'yi silip eski komşuları \(a,b\)'yi birleştirelim. İkinci olguya göre \(a,b\) uyumludur; dolayısıyla bu işlem \(S\setminus\{p\}\)'nin koşula uygun bir dizilimini verir. Tümevarım gereği, bu daha küçük dizilim rotasyon ve yansımalara göre tektir.
İlk dizilim, yan yana olan \(a,b\) elemanları arasına \(p\)'yi yerleştirerek tek bir biçimde geri elde edilir. Dolayısıyla \(S\)'nin dizilimi de rotasyon ve yansımalara göre tektir.
Bu, \(x\)'in negatif olmayan değerlerine izin verildiğinde bile tekliği kanıtlar; dolayısıyla \(x\)'in pozitif değerleri için istenen önermeyi de kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 3
Sea \(k\) un entero positivo y sea \(S\) un conjunto finito de números primos impares. Demostrar que existe a lo sumo una manera (sin contar rotaciones y reflexiones) de colocar los elementos \(S\) alrededor de una circunferencia de modo que cada producto de dos números que son vecinos sea de la forma \(x^2+x+k\) para algún entero positivo \(x\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(F(x)=x^2+x+k\). Demostraremos el enunciado más fuerte en el que se permite que \(x\) sea un entero no negativo. Diremos que dos primos distintos \(a,b\) son compatibles si \(ab=F(x)\) para algún entero \(x\geq0\).
Primero establecemos dos hechos: un primo \(p\) tiene a lo sumo dos primos compatibles menores que él y, si hay dos, son compatibles entre sí.
Supongamos que dos primos distintos \(a,b<p\) satisfacen \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] Como \(k>0\) y \(pa,pb<p^2\), tenemos \(u,v<p\). Además, \(u\neq v\), porque \(a\neq b\). Restando obtenemos \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] Como \(p\) es primo y \(0<|u-v|<p\), se deduce que \(p\mid u+v+1\). Pero \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] de modo que \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
Si un tercer primo \(c<p\), distinto de \(a,b\), fuera compatible con \(p\), escribiríamos \(pc=F(w)\), donde \(0\leq w<p\). Aplicando el mismo argumento a \(a,c\) obtenemos \(u+w+1=p\). Junto con (1), esto da \(w=v\), y por tanto \(c=b\), una contradicción. Así pues, hay a lo sumo dos primos compatibles menores.
Además, dividiendo la identidad obtenida al restar entre \(p\) y usando (1), obtenemos \[ a-b=u-v, \] y, por consiguiente, \[ 2u+1=p+a-b. \] Por tanto, \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] El entero \(u-a\) podría ser negativo, pero \[ F(t)=F(-t-1) \] para todo entero \(t\). Uno de los números \(t\) y \(-t-1\) es no negativo, de modo que \(ab=F(x)\) para algún entero \(x\geq0\). Esto demuestra que \(a,b\) son compatibles.
Ahora demostramos el enunciado más fuerte por inducción sobre \(n=|S|\). Para \(n\leq3\), todas las disposiciones circulares son equivalentes salvo rotaciones y reflexiones, así que la afirmación se cumple.
Sea \(n\geq4\), y supongamos que la afirmación se cumple para conjuntos de \(n-1\) primos impares. Si no existe ninguna disposición admisible, no hay nada que demostrar. En caso contrario, sea \(p\) el mayor elemento de \(S\), y sean \(a,b\) sus vecinos en una disposición admisible.
Ambos números \(a,b\) son menores que \(p\) y compatibles con él. Por el primer hecho demostrado, son los únicos vecinos posibles de \(p\); por tanto, en toda disposición admisible, \(a,b\) son los vecinos de \(p\).
Eliminemos \(p\) de cualquiera de estas disposiciones y unamos sus antiguos vecinos \(a,b\). Por el segundo hecho, \(a,b\) son compatibles, así que esto produce una disposición admisible de \(S\setminus\{p\}\). Por inducción, esa disposición más pequeña es única salvo rotaciones y reflexiones.
La disposición original se recupera de manera única insertando \(p\) entre los elementos adyacentes \(a,b\). Por tanto, la disposición de \(S\) también es única salvo rotaciones y reflexiones.
Esto demuestra la unicidad incluso cuando se permiten valores no negativos de \(x\), y por tanto demuestra el enunciado requerido para valores positivos de \(x\). \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 3
令 \(k\) 为一正整数,且 \(S\) 是一个由有限多个奇素数所形成的集。证明至多只有一种方式可以将 \(S\) 中所有数字排成一个圆圈(旋转与反射视为同一种),使得任意两个相邻数字的乘积皆可以被表示成 \(x^2+x+k\) 的形式,其中 \(x\) 为某个正整数。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(F(x)=x^2+x+k\)。我们证明一个更强的命题,其中允许 \(x\) 为非负整数。若两个不同的素数 \(a,b\) 满足 \(ab=F(x)\),其中 \(x\geq0\) 为某个整数,则称它们相容。
我们先证明两个事实:与素数 \(p\) 相容且小于它的素数至多有两个;若有两个,则它们彼此相容。
设不同的素数 \(a,b<p\) 满足 \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] 由于 \(k>0\) 且 \(pa,pb<p^2\),有 \(u,v<p\)。又因为 \(a\neq b\),所以 \(u\neq v\)。两式相减,得到 \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] 由于 \(p\) 为素数,且 \(0<|u-v|<p\),可知 \(p\mid u+v+1\)。但 \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] 所以 \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
若存在第三个与 \(a,b\) 不同且与 \(p\) 相容的素数 \(c<p\),记 \(pc=F(w)\),其中 \(0\leq w<p\)。对 \(a,c\) 应用同样的论证,得到 \(u+w+1=p\)。结合 (1),得到 \(w=v\),从而 \(c=b\),矛盾。因此,小于它且与它相容的素数至多有两个。
此外,将相减所得的恒等式除以 \(p\),并利用 (1),得到 \[ a-b=u-v, \] 进而有 \[ 2u+1=p+a-b. \] 因此 \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] 整数 \(u-a\) 可能为负,但对每个整数 \(t\),都有 \[ F(t)=F(-t-1) \] 成立。\(t\) 与 \(-t-1\) 中有一个非负,因此存在某个整数 \(x\geq0\),使得 \(ab=F(x)\)。这就证明了 \(a,b\) 相容。
现在对 \(n=|S|\) 用数学归纳法证明这个更强的命题。当 \(n\leq3\) 时,所有圆周排列在旋转与反射意义下都等价,因此命题成立。
设 \(n\geq4\),并假设命题对含有 \(n-1\) 个奇素数的集合成立。若不存在符合条件的排列,则无需证明。否则,设 \(p\) 是 \(S\) 的最大元素,\(a,b\) 是某个符合条件的排列中与它相邻的元素。
\(a,b\) 都小于 \(p\),且与它相容。由上面证明的第一个事实,它们是仅有的可能与 \(p\) 相邻的元素;因此,每个符合条件的排列中,与 \(p\) 相邻的元素都是 \(a,b\)。
从任意这样的排列中删去 \(p\),并将原来与它相邻的 \(a,b\) 相连。由第二个事实,\(a,b\) 相容,因此这样就得到 \(S\setminus\{p\}\) 的一个符合条件的排列。由归纳假设,这个较小集合的排列在旋转与反射意义下唯一。
在相邻的元素 \(a,b\) 之间插入 \(p\),便可唯一地恢复原来的排列。因此,\(S\) 的排列在旋转与反射意义下也唯一。
这证明了即使允许 \(x\) 取非负值,唯一性仍然成立,从而证明了题目中 \(x\) 取正值时的命题。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 3
Пусть \(k\) — целое положительное число, а \(S\) — конечное множество, состоящее из нечётных простых чисел. Докажите, что существует не более одного способа (с точностью до поворотов и отражений) расположить все элементы множества \(S\) по кругу так, чтобы произведение любых двух соседних чисел имело вид \(x^2+x+k\), где \(x\) — целое положительное число.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(F(x)=x^2+x+k\). Докажем более сильное утверждение, в котором \(x\) разрешается быть неотрицательным целым числом. Назовём два различных простых числа \(a,b\) совместимыми, если \(ab=F(x)\) для некоторого целого \(x\geq0\).
Сначала установим два факта: у простого числа \(p\) есть не более двух совместимых с ним простых чисел, меньших него, и если таких чисел два, то они совместимы друг с другом.
Пусть различные простые числа \(a,b<p\) удовлетворяют равенствам \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] Поскольку \(k>0\) и \(pa,pb<p^2\), имеем \(u,v<p\). Кроме того, \(u\neq v\), так как \(a\neq b\). Вычитая, получаем \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] Так как \(p\) простое и \(0<|u-v|<p\), отсюда следует \(p\mid u+v+1\). Но \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] поэтому \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
Если бы третье простое число \(c<p\), отличное от \(a,b\), было совместимо с \(p\), то можно было бы записать \(pc=F(w)\), где \(0\leq w<p\). Применяя то же рассуждение к \(a,c\), получаем \(u+w+1=p\). Вместе с (1) это даёт \(w=v\), а значит, \(c=b\) — противоречие. Таким образом, меньших совместимых простых чисел не более двух.
Далее, разделив тождество, полученное вычитанием, на \(p\) и воспользовавшись (1), получаем \[ a-b=u-v, \] и, следовательно, \[ 2u+1=p+a-b. \] Поэтому \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] Целое число \(u-a\) может быть отрицательным, но \[ F(t)=F(-t-1) \] для любого целого \(t\). Одно из чисел \(t\) и \(-t-1\) неотрицательно, поэтому \(ab=F(x)\) для некоторого целого \(x\geq0\). Это доказывает совместимость \(a,b\).
Теперь докажем усиленное утверждение индукцией по \(n=|S|\). При \(n\leq3\) все расположения по кругу эквивалентны с точностью до поворотов и отражений, поэтому утверждение верно.
Пусть \(n\geq4\), и предположим, что утверждение верно для множеств из \(n-1\) нечётных простых чисел. Если допустимого расположения не существует, доказывать нечего. В противном случае пусть \(p\) — наибольший элемент \(S\), а \(a,b\) — его соседи в допустимом расположении.
Оба числа \(a,b\) меньше \(p\) и совместимы с ним. По первому из доказанных выше фактов только они могут быть соседями \(p\); таким образом, в каждом допустимом расположении соседями \(p\) являются \(a,b\).
Удалим \(p\) из любого такого расположения и сделаем его бывших соседей \(a,b\) соседними. По второму факту числа \(a,b\) совместимы, поэтому получается допустимое расположение \(S\setminus\{p\}\). По предположению индукции это расположение меньшего множества единственно с точностью до поворотов и отражений.
Исходное расположение однозначно восстанавливается вставкой \(p\) между соседними элементами \(a,b\). Следовательно, расположение \(S\) также единственно с точностью до поворотов и отражений.
Тем самым единственность доказана даже при разрешённых неотрицательных значениях \(x\), а значит, доказано и требуемое утверждение для положительных значений \(x\). \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 3
ليكن \(k\) عدداً صحيحاً موجباً وليكن \(S\) مجموعة منتهية من الأعداد الأولية الفردية. أثبت أنه يوجد على الأكثر طريقة واحدة (باعتبار الدوران والانعكاس لا تعطي ترتيب جديد) لوضع عناصر \(S\) على دائرة بحيث حاصل ضرب أي عددين متجاورين يكون على الصورة \(x^2+x+k\) لقيمة صحيحة موجبة \(x\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \(F(x)=x^2+x+k\). نثبت عبارة أقوى يُسمح فيها بأن يكون \(x\) عددًا صحيحًا غير سالب. نسمّي عددين أوليين مختلفين \(a,b\) متوافقين إذا كان \(ab=F(x)\) لعدد صحيح ما \(x\geq0\).
نثبت أولًا حقيقتين: لكل عدد أولي \(p\) عددان أوليان متوافقان معه وأصغر منه على الأكثر، وإذا وُجد اثنان فإنهما متوافقان أحدهما مع الآخر.
لنفترض أن عددين أوليين مختلفين \(a,b<p\) يحققان \[ pa=F(u),\qquad pb=F(v),\qquad u,v\geq0. \] بما أن \(k>0\) و \(pa,pb<p^2\)، فإن \(u,v<p\). وكذلك \(u\neq v\)، لأن \(a\neq b\). وبالطرح نحصل على \[ p(a-b)=F(u)-F(v)=(u-v)(u+v+1). \] وبما أن \(p\) أولي و \(0<|u-v|<p\)، ينتج أن \(p\mid u+v+1\). لكن \[ 1\leq u+v+1\leq 2p-1, \] ومن ثم \[ u+v+1=p. \tag{1} \]
لو كان هناك عدد أولي ثالث \(c<p\)، مختلف عن \(a,b\)، ومتوافق مع \(p\)، لكتبنا \(pc=F(w)\)، حيث \(0\leq w<p\). وبتطبيق الحجة نفسها على \(a,c\)، نحصل على \(u+w+1=p\). وبضم ذلك إلى (1)، ينتج \(w=v\)، ومن ثم \(c=b\)، وهو تناقض. إذن يوجد على الأكثر عددان أوليان أصغر منه ومتوافقان معه.
علاوة على ذلك، بقسمة هوية الطرح على \(p\) واستخدام (1)، نحصل على \[ a-b=u-v, \] ومن ثم \[ 2u+1=p+a-b. \] ولذلك \[ \begin{aligned} F(u-a) &=F(u)-a(2u+1)+a^2\\ &=pa-a(p+a-b)+a^2\\ &=ab. \end{aligned} \] قد يكون العدد الصحيح \(u-a\) سالبًا، لكن \[ F(t)=F(-t-1) \] لكل عدد صحيح \(t\). وأحد العددين \(t\) و \(-t-1\) غير سالب، ولذلك \(ab=F(x)\) لعدد صحيح ما \(x\geq0\). وهذا يثبت أن \(a,b\) متوافقان.
نثبت الآن العبارة الأقوى بالاستقراء على \(n=|S|\). عندما يكون \(n\leq3\)، تكون جميع الترتيبات الدائرية متكافئة باعتبار الدوران والانعكاس، فتكون العبارة صحيحة.
ليكن \(n\geq4\)، ولنفترض أن العبارة صحيحة للمجموعات المؤلفة من \(n-1\) عددًا أوليًا فرديًا. إذا لم يوجد ترتيب يحقق الشروط، فلا شيء يلزم إثباته. وإلا، فليكن \(p\) أكبر عناصر \(S\)، وليكن \(a,b\) جاريه في ترتيب يحقق الشروط.
كلا العددين \(a,b\) أصغر من \(p\) ومتوافق معه. وبموجب الحقيقة الأولى المثبتة أعلاه، فهما الجاران الوحيدان الممكنان لـ \(p\)؛ ومن ثم يكون \(a,b\) جاري \(p\) في كل ترتيب يحقق الشروط.
نحذف \(p\) من أي ترتيب كهذا ونصل بين جاريه السابقين \(a,b\). وبموجب الحقيقة الثانية، فإن \(a,b\) متوافقان، فينتج عن ذلك ترتيب لـ \(S\setminus\{p\}\) يحقق الشروط. وبفرض الاستقراء، يكون هذا الترتيب الأصغر وحيدًا باعتبار الدوران والانعكاس.
نستعيد الترتيب الأصلي على نحو وحيد بإدراج \(p\) بين العنصرين المتجاورين \(a,b\). ومن ثم يكون ترتيب \(S\) أيضًا وحيدًا باعتبار الدوران والانعكاس.
وهذا يثبت الوحدانية حتى عند السماح بقيم غير سالبة لـ \(x\)، وبالتالي يثبت العبارة المطلوبة للقيم الموجبة لـ \(x\). \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.