IMO 2023 · Problem 3
For each integer \(k \geqslant 2\), determine all infinite sequences of positive integers \(a_1,a_2,\ldots\) for which there exists a polynomial \(P\) of the form \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\), where \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) are non-negative integers, such that \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] for every integer \(n\geqslant 1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
For every \(k\geqslant2\), the sequences are exactly \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] where \(A\) is a positive integer and \(d\) is a non-negative integer. The corresponding polynomial is \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
Solution
Suppose that a sequence and polynomial satisfy the given conditions. The polynomial \(P\) is positive and strictly increasing on the positive real numbers. Dividing the equations for consecutive indices gives \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
We first prove that the sequence is nondecreasing. Fix \(r\geqslant1\), and let \(a_j\) be the first occurrence of the minimum of \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] This minimum exists because the terms are positive integers. If \(j>r\), then \(a_{j-1}>a_j\), so (1) yields \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] contradicting the choice of the minimum. Thus \(j=r\). In particular, \(a_r\leqslant a_{r+1}\), proving the assertion.
If the sequence is bounded, it is eventually constant, say equal to \(A\). Then \(P(A)=A^k\), so nonnegativity of the coefficients implies that all \(c_i\) vanish. Consequently, for every \(n\), \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] Hence \(a_{n+1}=a_n\) for every \(n\), giving the required solution with \(d=0\).
We may therefore assume that the sequence is unbounded. Its monotonicity then gives \(a_n\to\infty\).
Set \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] For \(x\geqslant1\), we have \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\). Using monotonicity and the binomial theorem, we obtain \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] Thus \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{for every }n. \tag{2} \]
For \(1\leqslant i\leqslant k\), define \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] By (2), \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] All these offsets are integers, so there are only finitely many possible polynomials \(Q_n\). Moreover, the original equation says \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
Each possible polynomial \(Q\neq P\) can satisfy \(P(x)=Q(x)\) at only finitely many real numbers. Since there are finitely many such \(Q\), and \(a_n\to\infty\), equation (3) implies that there is an index \(N\) such that \[ Q_n=P\qquad\text{for every }n\geqslant N. \tag{4} \]
Now \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] so the largest real root of \(Q_n\) is \(-b_{n,1}=-d_n\). By (4), this root is independent of \(n\geqslant N\). Therefore \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] for some integer \(d\geqslant0\). Unboundedness excludes \(d=0\). The sequence is thus an arithmetic progression from index \(N\) onward, and (4) gives \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
It remains to extend this progression backward. Suppose that the terms from index \(m>1\) onward form an arithmetic progression with difference \(d\). By (5) and the equation at index \(m-1\), \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] The function \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] is strictly increasing for \(t>0\), since all its factors are positive and strictly increasing there. The preceding equality is \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] so \(a_m=a_{m-1}+d\). Repeating this argument backward proves \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{for every }n\geqslant1. \]
Conversely, let \(a_n=A+(n-1)d\), where \(A\geqslant1\) and \(d\geqslant0\) are integers. The polynomial \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] is monic of degree \(k\) and has non-negative integer coefficients. It satisfies \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2023 · Aufgabe 3
Man bestimme für jede ganze Zahl \(k\geq 2\) alle unendlichen Folgen positiver ganzer Zahlen \(a_1,a_2,\ldots\), für die ein Polynom \(P\) der Gestalt \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\) mit nichtnegativen ganzzahligen \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) existiert, sodass \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] für jede ganze Zahl \(n\geq 1\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Für jedes \(k\geqslant2\) sind die gesuchten Folgen genau \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] wobei \(A\) eine positive ganze Zahl und \(d\) eine nichtnegative ganze Zahl ist. Das zugehörige Polynom ist \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
Lösung
Eine Folge und ein Polynom mögen die gegebenen Bedingungen erfüllen. Das Polynom \(P\) ist auf den positiven reellen Zahlen positiv und streng monoton wachsend. Division der Gleichungen für aufeinanderfolgende Indizes ergibt \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
Zunächst beweisen wir, dass die Folge monoton nicht fallend ist. Wir wählen ein festes \(r\geqslant1\), und \(a_j\) sei das erste Auftreten des Minimums von \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] Dieses Minimum existiert, weil die Folgenglieder positive ganze Zahlen sind. Wäre \(j>r\), so wäre \(a_{j-1}>a_j\), und (1) ergäbe \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] im Widerspruch zur Wahl des Minimums. Somit gilt \(j=r\). Insbesondere ist \(a_r\leqslant a_{r+1}\), womit die Behauptung bewiesen ist.
Ist die Folge beschränkt, so ist sie ab einem gewissen Index konstant, etwa gleich \(A\). Dann gilt \(P(A)=A^k\), also folgt aus der Nichtnegativität der Koeffizienten, dass alle \(c_i\) verschwinden. Folglich gilt für jedes \(n\) \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] Also gilt \(a_{n+1}=a_n\) für jedes \(n\), was die gesuchte Lösung mit \(d=0\) liefert.
Wir dürfen daher annehmen, dass die Folge unbeschränkt ist. Aus ihrer Monotonie folgt dann \(a_n\to\infty\).
Wir setzen \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] Für \(x\geqslant1\) gilt \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\). Mit der Monotonie und dem binomischen Lehrsatz erhalten wir \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] Somit gilt \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{für jedes }n. \tag{2} \]
Für \(1\leqslant i\leqslant k\) definieren wir \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] Nach (2) gilt \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] Alle diese Differenzen sind ganzzahlig, also gibt es nur endlich viele mögliche Polynome \(Q_n\). Außerdem besagt die ursprüngliche Gleichung \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
Für jedes mögliche Polynom \(Q\neq P\) kann \(P(x)=Q(x)\) nur für endlich viele reelle Zahlen gelten. Da es nur endlich viele solche \(Q\) gibt und \(a_n\to\infty\) gilt, folgt aus Gleichung (3), dass ein Index \(N\) existiert, sodass \[ Q_n=P\qquad\text{für jedes }n\geqslant N. \tag{4} \]
Nun gilt \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] also ist die größte reelle Nullstelle von \(Q_n\) gleich \(-b_{n,1}=-d_n\). Nach (4) ist diese Nullstelle unabhängig von \(n\geqslant N\). Daher gilt \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] für eine ganze Zahl \(d\geqslant0\). Die Unbeschränktheit schließt \(d=0\) aus. Die Folge ist somit ab dem Index \(N\) eine arithmetische Folge, und (4) ergibt \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
Es bleibt, diese arithmetische Folge rückwärts fortzusetzen. Angenommen, die Glieder ab dem Index \(m>1\) bilden eine arithmetische Folge mit Differenz \(d\). Nach (5) und der Gleichung zum Index \(m-1\) gilt \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] Die Funktion \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] ist für \(t>0\) streng monoton wachsend, da dort alle ihre Faktoren positiv und streng monoton wachsend sind. Die vorangehende Gleichheit lautet \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] also \(a_m=a_{m-1}+d\). Durch wiederholte rückwärtige Anwendung dieses Arguments folgt \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{für jedes }n\geqslant1. \]
Umgekehrt sei \(a_n=A+(n-1)d\), wobei \(A\geqslant1\) und \(d\geqslant0\) ganze Zahlen sind. Das Polynom \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] ist normiert, hat den Grad \(k\) und nichtnegative ganzzahlige Koeffizienten. Es erfüllt \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] wie gefordert.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2023 · Soru 3
\(k\geq2\) tam sayı olsun. Aşağıdaki şartı sağlayan tüm \(a_1,a_2,\ldots\) sonsuz pozitif tam sayı dizilerini belirleyiniz: \(a_1,a_2,\ldots\) dizisi için öyle bir \(P\) polinomu vardır ki, \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) negatif olmayan tam sayılar olmak üzere, \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\) formundadır ve her \(n\geq1\) tam sayısı için \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] koşulu sağlanır.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Her \(k\geqslant2\) için diziler tam olarak \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] biçimindedir; burada \(A\) bir pozitif tam sayı, \(d\) ise negatif olmayan bir tam sayıdır. Buna karşılık gelen polinom \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] olur.
Çözüm
Bir dizinin ve polinomun verilen koşulları sağladığını varsayalım. \(P\) polinomu pozitif gerçek sayılar üzerinde pozitif ve kesin artandır. Ardışık indisler için yazılan denklemleri birbirine bölerek \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1) \tag{1} \] elde ederiz.
Önce dizinin azalmayan olduğunu ispatlayalım. \(r\geqslant1\) sabit olsun ve \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots \] terimlerinin en küçüğünün ilk kez görüldüğü terim \(a_j\) olsun. Terimler pozitif tam sayılar olduğundan bu en küçük değer vardır. \(j>r\) ise \(a_{j-1}>a_j\) olur; dolayısıyla (1) bağıntısı \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j \] sonucunu verir ve bu, en küçük değerin seçimiyle çelişir. O hâlde \(j=r\) olur. Özel olarak \(a_r\leqslant a_{r+1}\) olur ve iddia ispatlanır.
Dizi sınırlı ise bir indisten itibaren sabittir; bu sabit değer \(A\) olsun. O zaman \(P(A)=A^k\) olur; katsayıların negatif olmaması, tüm \(c_i\)'lerin sıfır olmasını gerektirir. Dolayısıyla her \(n\) için \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k \] olur. Böylece her \(n\) için \(a_{n+1}=a_n\) elde edilir; bu da \(d=0\) olan istenen çözümü verir.
Bu nedenle dizinin sınırsız olduğunu varsayabiliriz. Bu durumda monotonluğundan \(a_n\to\infty\) elde edilir.
\[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0 \] olsun. \(x\geqslant1\) için \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\) olur. Monotonluğu ve binom teoremini kullanarak \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1} \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{her }n \tag{2} \] için geçerlidir.
\(1\leqslant i\leqslant k\) için \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}) \] olarak tanımlayalım. (2)'ye göre, \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] Bu farkların hepsi tam sayı olduğundan, yalnızca sonlu sayıda olası \(Q_n\) polinomu vardır. Üstelik başlangıçtaki denklem \[ P(a_n)=Q_n(a_n) \tag{3} \] olduğunu söyler.
Olası her \(Q\neq P\) polinomu, \(P(x)=Q(x)\) eşitliğini ancak sonlu sayıda gerçek sayıda sağlayabilir. Böyle \(Q\)'lar sonlu sayıda olduğundan ve \(a_n\to\infty\) olduğundan, (3) denklemi bir \(N\) indisi için \[ Q_n=P\qquad\text{her }n\geqslant N \tag{4} \] için bu eşitliğin sağlandığını gösterir.
Şimdi \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k} \] olduğundan \(Q_n\)'nin en büyük gerçek kökü \(-b_{n,1}=-d_n\)'dir. (4)'e göre bu kök, \(n\geqslant N\) için \(n\)'den bağımsızdır. Dolayısıyla bir \(d\geqslant0\) tam sayısı için \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] olur. Sınırsızlık, \(d=0\) durumunu dışlar. Böylece dizi \(N\) indisinden itibaren bir aritmetik dizidir ve (4) bağıntısı \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \tag{5} \] sonucunu verir.
Geriye bu aritmetik diziyi geriye doğru genişletmek kalır. \(m>1\) indisinden itibaren terimlerin ortak farkı \(d\) olan bir aritmetik dizi oluşturduğunu varsayalım. (5)'ten ve \(m-1\) indisindeki denklemden, \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd) \] elde edilir. \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] fonksiyonu, tüm çarpanları \(t>0\) için pozitif ve kesin artan olduğundan, bu aralıkta kesin artandır. Önceki eşitlik \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m) \] biçimindedir; dolayısıyla \(a_m=a_{m-1}+d\) olur. Bu akıl yürütmeyi geriye doğru tekrarlayarak \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{her }n\geqslant1 \] için bu eşitliğin sağlandığını ispatlarız.
Tersine, \(A\geqslant1\) ve \(d\geqslant0\) tam sayılar olmak üzere \(a_n=A+(n-1)d\) olsun. \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] polinomu, derecesi \(k\) ve başkatsayısı bir olan, negatif olmayan tam sayı katsayılı bir polinomdur. İstenen \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \] eşitliğini sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2023 · Problema 3
Para cada entero \(k\geq2\), determina todas las sucesiones infinitas de enteros positivos \(a_1,a_2,\ldots\) para las cuales existe un polinomio \(P\) de la forma \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\), con \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) enteros no negativos, tal que \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] para todo entero \(n\geq1\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Para todo \(k\geqslant2\), las sucesiones son exactamente \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] donde \(A\) es un entero positivo y \(d\) es un entero no negativo. El polinomio correspondiente es \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
Solución
Supongamos que una sucesión y un polinomio satisfacen las condiciones dadas. El polinomio \(P\) es positivo y estrictamente creciente en los números reales positivos. Al dividir las ecuaciones correspondientes a índices consecutivos, obtenemos \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
Primero demostramos que la sucesión es no decreciente. Fijemos \(r\geqslant1\), y sea \(a_j\) la primera aparición del mínimo de \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] Este mínimo existe porque los términos son enteros positivos. Si \(j>r\), entonces \(a_{j-1}>a_j\), por lo que (1) da \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] lo que contradice la elección del mínimo. Así pues, \(j=r\). En particular, \(a_r\leqslant a_{r+1}\), lo que demuestra la afirmación.
Si la sucesión está acotada, es constante a partir de cierto índice, digamos igual a \(A\). Entonces \(P(A)=A^k\), por lo que la no negatividad de los coeficientes implica que todos los \(c_i\) son nulos. Por consiguiente, para todo \(n\), \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] Por tanto, \(a_{n+1}=a_n\) para todo \(n\), lo que da la solución requerida con \(d=0\).
Podemos, por tanto, suponer que la sucesión no está acotada. Su monotonía da entonces \(a_n\to\infty\).
Sean \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] Para \(x\geqslant1\), tenemos \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\). Usando la monotonía y el teorema del binomio, obtenemos \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] Así, \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{para todo }n. \tag{2} \]
Para \(1\leqslant i\leqslant k\), definamos \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] Por (2), \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] Todas estas diferencias son enteras, por lo que solo hay un número finito de polinomios posibles \(Q_n\). Además, la ecuación original dice que \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
Cada polinomio posible \(Q\neq P\) puede satisfacer \(P(x)=Q(x)\) solo en un número finito de números reales. Como hay un número finito de tales \(Q\), y \(a_n\to\infty\), la ecuación (3) implica que existe un índice \(N\) tal que \[ Q_n=P\qquad\text{para todo }n\geqslant N. \tag{4} \]
Ahora bien, \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] por lo que la mayor raíz real de \(Q_n\) es \(-b_{n,1}=-d_n\). Por (4), esta raíz es independiente de \(n\geqslant N\). Por tanto, \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] para algún entero \(d\geqslant0\). La falta de acotación excluye \(d=0\). La sucesión es, pues, una progresión aritmética a partir del índice \(N\), y (4) da \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
Queda extender esta progresión hacia atrás. Supongamos que los términos a partir del índice \(m>1\) forman una progresión aritmética de diferencia \(d\). Por (5) y la ecuación en el índice \(m-1\), \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] La función \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] es estrictamente creciente para \(t>0\), ya que todos sus factores son positivos y estrictamente crecientes en ese intervalo. La igualdad anterior es \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] por lo que \(a_m=a_{m-1}+d\). Repitiendo este argumento hacia atrás, se demuestra que \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{para todo }n\geqslant1. \]
Recíprocamente, sea \(a_n=A+(n-1)d\), donde \(A\geqslant1\) y \(d\geqslant0\) son enteros. El polinomio \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] es mónico de grado \(k\) y tiene coeficientes enteros no negativos. Satisface \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] como se requería.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2023 · 问题 3
对每个整数 \(k\geq2\),求所有满足下述条件的无穷正整数列 \(a_1,a_2,\ldots\):存在一个多项式 \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\),这里 \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) 是非负整数,使得 \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] 对所有整数 \(n\geq1\) 成立。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
对每个 \(k\geqslant2\),所求数列恰为 \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] 其中 \(A\) 为正整数,\(d\) 为非负整数。对应的多项式为 \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
解答
设一个数列和一个多项式满足题设条件。多项式 \(P\) 在正实数范围内取正值且严格递增。将相邻下标对应的等式相除,得到 \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
首先证明该数列单调不减。固定 \(r\geqslant1\),设 \(a_j\) 是 \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] 中最小值第一次出现的项。由于各项都是正整数,这个最小值存在。若 \(j>r\),则 \(a_{j-1}>a_j\),于是由 (1) 得 \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] 这与最小值的选取矛盾。因此 \(j=r\)。特别地,\(a_r\leqslant a_{r+1}\),断言得证。
若数列有界,则它从某一项起为常数,设为 \(A\)。于是 \(P(A)=A^k\),由系数的非负性可知所有 \(c_i\) 均为零。因此,对每个 \(n\), \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] 所以对每个 \(n\),都有 \(a_{n+1}=a_n\),得到所求的 \(d=0\) 的解。
因此,以下可假设数列无界。由其单调性可知 \(a_n\to\infty\)。
令 \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] 当 \(x\geqslant1\) 时,有 \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\)。利用单调性和二项式定理,得到 \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] 因此 \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{对每个 }n. \tag{2} \]
对 \(1\leqslant i\leqslant k\),定义 \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] 由 (2), \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] 这些差值都是整数,因此多项式 \(Q_n\) 只有有限种可能。此外,原等式表明 \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
对于每一个可能的多项式 \(Q\neq P\),等式 \(P(x)=Q(x)\) 只能在有限个实数处成立。由于这样的 \(Q\) 只有有限个,且 \(a_n\to\infty\),由 (3) 可知存在下标 \(N\),使得 \[ Q_n=P\qquad\text{对每个 }n\geqslant N. \tag{4} \]
现在,由 \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] 可知 \(Q_n\) 的最大实根为 \(-b_{n,1}=-d_n\)。由 (4),对于 \(n\geqslant N\),这个根与 \(n\) 无关。因此, \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] 其中 \(d\geqslant0\) 为某个整数。无界性排除了 \(d=0\) 的情形。因此,数列从第 \(N\) 项起为等差数列,且由 (4) 得 \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
剩下只需将此等差关系向前延伸。假设从下标 \(m>1\) 起的各项构成公差为 \(d\) 的等差数列。由 (5) 及下标 \(m-1\) 对应的等式, \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] 函数 \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] 在 \(t>0\) 时严格递增,因为它的所有因子在此范围内均为正且严格递增。上面的等式即为 \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] 故 \(a_m=a_{m-1}+d\)。向前反复应用这一论证,可得 \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{对每个 }n\geqslant1. \]
反过来,设 \(a_n=A+(n-1)d\),其中 \(A\geqslant1\) 和 \(d\geqslant0\) 为整数。多项式 \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] 是首一的 \(k\) 次多项式,且所有系数均为非负整数。它满足 \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] 符合要求。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2023 · Задача 3
Дано натуральное число \(k\geqslant2\). Найдите все бесконечные последовательности положительных целых чисел \(a_1,a_2,\ldots\) со следующим свойством: существует многочлен \(P\) вида \[ P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0 \] с неотрицательными целыми коэффициентами \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) такой, что \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] для всех натуральных \(n\geq1\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Для каждого \(k\geqslant2\) искомые последовательности имеют в точности вид \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] где \(A\) — положительное целое число, а \(d\) — неотрицательное целое число. Соответствующий многочлен равен \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
Решение
Предположим, что последовательность и многочлен удовлетворяют данным условиям. Многочлен \(P\) положителен и строго возрастает на множестве положительных действительных чисел. Разделив равенства для последовательных индексов, получаем \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
Сначала докажем, что последовательность не убывает. Зафиксируем \(r\geqslant1\), и пусть \(a_j\) — первое вхождение минимального значения среди \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] Этот минимум существует, поскольку члены последовательности — положительные целые числа. Если \(j>r\), то \(a_{j-1}>a_j\), поэтому из (1) следует \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] что противоречит выбору минимума. Таким образом, \(j=r\). В частности, \(a_r\leqslant a_{r+1}\), что доказывает утверждение.
Если последовательность ограничена, то начиная с некоторого места она постоянна, скажем, равна \(A\). Тогда \(P(A)=A^k\), поэтому из неотрицательности коэффициентов следует, что все \(c_i\) равны нулю. Следовательно, для каждого \(n\) \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] Значит, \(a_{n+1}=a_n\) для каждого \(n\), что дает искомое решение с \(d=0\).
Поэтому далее можно считать, что последовательность неограниченна. Тогда из ее монотонности следует \(a_n\to\infty\).
Положим \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] При \(x\geqslant1\) имеем \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\). Используя монотонность и формулу бинома Ньютона, получаем \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] Таким образом, \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{для каждого }n. \tag{2} \]
Для \(1\leqslant i\leqslant k\) определим \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] В силу (2), \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] Все эти разности целые, поэтому возможных многочленов \(Q_n\) лишь конечное число. Кроме того, исходное равенство означает, что \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
Для каждого из возможных многочленов \(Q\neq P\) равенство \(P(x)=Q(x)\) может выполняться лишь при конечном числе действительных значений. Поскольку таких \(Q\) конечное число и \(a_n\to\infty\), из равенства (3) следует, что существует индекс \(N\), для которого \[ Q_n=P\qquad\text{для каждого }n\geqslant N. \tag{4} \]
Теперь \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] поэтому наибольший действительный корень \(Q_n\) равен \(-b_{n,1}=-d_n\). В силу (4) этот корень не зависит от \(n\geqslant N\). Следовательно, \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] для некоторого целого \(d\geqslant0\). Неограниченность исключает \(d=0\). Таким образом, начиная с индекса \(N\) последовательность является арифметической прогрессией, и (4) дает \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
Остается продолжить эту прогрессию назад. Предположим, что члены начиная с индекса \(m>1\) образуют арифметическую прогрессию с разностью \(d\). В силу (5) и равенства при индексе \(m-1\), \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] Функция \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] строго возрастает при \(t>0\), поскольку все ее множители положительны и строго возрастают на этом промежутке. Предыдущее равенство имеет вид \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] поэтому \(a_m=a_{m-1}+d\). Повторяя это рассуждение в обратном порядке, получаем \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{для каждого }n\geqslant1. \]
Обратно, пусть \(a_n=A+(n-1)d\), где \(A\geqslant1\) и \(d\geqslant0\) — целые числа. Многочлен \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] имеет степень \(k\), старший коэффициент \(1\) и неотрицательные целые коэффициенты. Для него выполняется \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] что и требовалось.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2023 · المسألة 3
لكل عدد صحيح \(k\geq2\)، حدد جميع المتتابعات اللانهائية للأعداد الصحيحة الموجبة \(a_1,a_2,\ldots\) التي يوجد لها دالة كثيرة الحدود \(P\) على الصورة \(P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0\)، حيث \(c_0,c_1,\ldots,c_{k-1}\) هي أعداد صحيحة غير سالبة، بحيث \[ P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k} \] لكل عدد صحيح \(n\geq1\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
لكل \(k\geqslant2\)، المتتابعات هي بالضبط \[ \boxed{a_n=A+(n-1)d\qquad(n\geqslant1),} \] حيث \(A\) عدد صحيح موجب و\(d\) عدد صحيح غير سالب. وكثيرة الحدود الموافقة هي \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \]
الحل
لنفترض أن متتابعة وكثيرة حدود تحققان الشروط المعطاة. كثيرة الحدود \(P\) موجبة ومتزايدة تمامًا على الأعداد الحقيقية الموجبة. وبقسمة معادلتي دليلين متتاليين نحصل على \[ a_{n+k+1} =a_{n+1}\frac{P(a_{n+1})}{P(a_n)} \qquad(n\geqslant1). \tag{1} \]
نثبت أولًا أن المتتابعة غير متناقصة. نثبت \(r\geqslant1\)، ولتكن \(a_j\) أول حد تتحقق عنده القيمة الصغرى للحدود \[ a_r,a_{r+1},a_{r+2},\ldots. \] هذه القيمة الصغرى موجودة لأن الحدود أعداد صحيحة موجبة. إذا كان \(j>r\)، فإن \(a_{j-1}>a_j\)، ومن ثم تعطي (1) \[ a_{j+k} =a_j\frac{P(a_j)}{P(a_{j-1})} <a_j, \] وهذا يناقض اختيار القيمة الصغرى. إذن \(j=r\). وعلى وجه الخصوص، \(a_r\leqslant a_{r+1}\)، مما يثبت المطلوب.
إذا كانت المتتابعة محدودة، فإنها تصبح ثابتة ابتداءً من حد ما، ولتكن قيمتها حينئذ \(A\). عندئذ \(P(A)=A^k\)، ومن ثم فإن عدم سلبية المعاملات يستلزم انعدام جميع \(c_i\). وبالتالي، لكل \(n\)، \[ a_n^k=P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}a_{n+i} \geqslant a_{n+1}^k \geqslant a_n^k. \] إذن \(a_{n+1}=a_n\) لكل \(n\)، فنحصل على الحل المطلوب مع \(d=0\).
يمكننا إذن افتراض أن المتتابعة غير محدودة. وتعطي رتابتها عندئذ \(a_n\to\infty\).
نضع \[ C=\sum_{j=0}^{k-1}c_j, \qquad d_n=a_{n+1}-a_n\geqslant0. \] لكل \(x\geqslant1\)، لدينا \(P(x)\leqslant x^k+Cx^{k-1}\). وباستخدام الرتابة ونظرية ذات الحدين، نحصل على \[ a_n^k+kd_na_n^{k-1} \leqslant(a_n+d_n)^k =a_{n+1}^k \leqslant P(a_n) \leqslant a_n^k+Ca_n^{k-1}. \] إذن \[ 0\leqslant d_n\leqslant \frac Ck \qquad\text{لكل }n. \tag{2} \]
لكل \(1\leqslant i\leqslant k\)، نعرّف \[ b_{n,i}=a_{n+i}-a_n, \qquad Q_n(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+b_{n,i}). \] من (2)، \[ 0\leqslant b_{n,i} =\sum_{j=0}^{i-1}d_{n+j} \leqslant\frac{iC}{k} \leqslant C. \] جميع هذه الفروق أعداد صحيحة، ولذلك لا يوجد إلا عدد منتهٍ من كثيرات الحدود الممكنة \(Q_n\). علاوة على ذلك، تنص المعادلة الأصلية على أن \[ P(a_n)=Q_n(a_n). \tag{3} \]
كل كثيرة حدود ممكنة \(Q\neq P\) لا يمكن أن تحقق \(P(x)=Q(x)\) إلا عند عدد منتهٍ من الأعداد الحقيقية. وبما أن عدد كثيرات الحدود \(Q\) هذه منتهٍ، وأن \(a_n\to\infty\)، فإن المعادلة (3) تستلزم وجود دليل \(N\) بحيث \[ Q_n=P\qquad\text{لكل }n\geqslant N. \tag{4} \]
الآن \[ b_{n,1}\leqslant b_{n,2}\leqslant\cdots\leqslant b_{n,k}, \] ولذلك فإن أكبر جذر حقيقي لكثيرة الحدود \(Q_n\) هو \(-b_{n,1}=-d_n\). وبحسب (4)، لا يعتمد هذا الجذر على \(n\geqslant N\). وبالتالي \[ d_n=d\qquad(n\geqslant N) \] لعدد صحيح \(d\geqslant0\). وعدم المحدودية يستبعد \(d=0\). إذن المتتابعة حسابية ابتداءً من الدليل \(N\)، وتعطي (4) \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id). \tag{5} \]
يبقى أن نمد هذه المتتابعة الحسابية إلى الخلف. لنفترض أن الحدود ابتداءً من الدليل \(m>1\) تشكل متتابعة حسابية فرقها \(d\). من (5) والمعادلة عند الدليل \(m-1\)، \[ \prod_{i=1}^{k}(a_{m-1}+id) = \prod_{j=0}^{k-1}(a_m+jd). \] الدالة \[ H(t)=\prod_{j=0}^{k-1}(t+jd) \] متزايدة تمامًا عندما \(t>0\)، لأن جميع عواملها موجبة ومتزايدة تمامًا هناك. والمساواة السابقة هي \[ H(a_{m-1}+d)=H(a_m), \] ومن ثم \(a_m=a_{m-1}+d\). وبتكرار هذه الحجة إلى الخلف نثبت أن \[ a_n=a_1+(n-1)d \qquad\text{لكل }n\geqslant1. \]
وعكسًا، لتكن \(a_n=A+(n-1)d\)، حيث \(A\geqslant1\) و\(d\geqslant0\) عددان صحيحان. كثيرة الحدود \[ P(x)=\prod_{i=1}^{k}(x+id) \] من الدرجة \(k\) ومعاملها الرئيس يساوي واحدًا، ومعاملاتها أعداد صحيحة غير سالبة. وهي تحقق \[ P(a_n)=\prod_{i=1}^{k}(a_n+id) =\prod_{i=1}^{k}a_{n+i}, \] كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.