IMO 2024 · Problem 1
Determine all real numbers \(\alpha\) such that, for every positive integer \(n\), the integer \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] is a multiple of \(n\). (Note that \(\lfloor z\rfloor\) denotes the greatest integer less than or equal to \(z\). For example, \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) and \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2.9\rfloor=2\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All even integers: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
Solution
Suppose \(\alpha\) satisfies the condition. For every positive integer \(n\), define \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] By hypothesis, every \(A_n\) is an integer.
For \(n\ge2\), summing the inequalities \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] over \(1\le k\le n-1\), then dividing by \(n-1\), gives \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] Also, \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] Since \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1}, \] these bounds imply \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] Consequently, the integer sequence \(A_n-A_{n-1}\) converges to \(\alpha/2\).
Every convergent sequence of integers is eventually constant: all sufficiently late terms lie in an interval of length less than \(1\), which contains at most one integer. Its limit is therefore an integer. Hence \(\alpha/2\in\mathbb Z\), so \(\alpha\) is an even integer.
Conversely, if \(\alpha=2m\) for some \(m\in\mathbb Z\), then for every positive integer \(n\), \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] which is a multiple of \(n\). Thus every even integer satisfies the condition.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2024 · Aufgabe 1
Man bestimme alle reellen Zahlen \(\alpha\), sodass für jede positive ganze Zahl \(n\) die ganze Zahl \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] ein Vielfaches von \(n\) ist.
(Dabei bezeichnet \(\lfloor z\rfloor\) die größte ganze Zahl kleiner oder gleich \(z\). Beispielsweise gilt \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) und \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2.9\rfloor=2\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle geraden ganzen Zahlen: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
Lösung
Es sei \(\alpha\) eine Zahl, die die Bedingung erfüllt. Für jede positive ganze Zahl \(n\) definieren wir \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] Nach Voraussetzung ist jedes \(A_n\) eine ganze Zahl.
Für \(n\ge2\) ergibt die Summation der Ungleichungen \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] über \(1\le k\le n-1\) und anschließende Division durch \(n-1\) \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] Außerdem gilt \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] Wegen \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1} \] folgt aus diesen Abschätzungen \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] Somit konvergiert die ganzzahlige Folge \(A_n-A_{n-1}\) gegen \(\alpha/2\).
Jede konvergente Folge ganzer Zahlen ist ab einer gewissen Stelle konstant: Alle hinreichend späten Glieder liegen in einem Intervall der Länge kleiner als \(1\), das höchstens eine ganze Zahl enthält. Ihr Grenzwert ist daher eine ganze Zahl. Also gilt \(\alpha/2\in\mathbb Z\), sodass \(\alpha\) eine gerade ganze Zahl ist.
Ist umgekehrt \(\alpha=2m\) für ein \(m\in\mathbb Z\), so gilt für jede positive ganze Zahl \(n\) \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] was ein Vielfaches von \(n\) ist. Somit erfüllt jede gerade ganze Zahl die Bedingung.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2024 · Soru 1
Aşağıdaki şartı sağlayan tüm \(\alpha\) gerçel sayılarını bulunuz:
Her \(n\) pozitif tam sayısı için \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] tam sayısı \(n\) sayısının bir katıdır. (\(\lfloor z\rfloor\) ifadesi, \(z\) sayısından küçük veya ona eşit olan en büyük tam sayıyı göstermektedir. Örneğin, \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) ve \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2.9\rfloor=2\).)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tüm çift tam sayılar: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
Çözüm
\(\alpha\) sayısının şartı sağladığını varsayalım. Her \(n\) pozitif tam sayısı için \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor \] olarak tanımlayalım. Varsayım gereği, her \(A_n\) bir tam sayıdır.
\(n\ge2\) için \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] eşitsizliklerini \(1\le k\le n-1\) üzerinden toplayıp ardından \(n-1\) ile bölersek \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2} \] elde ederiz. Ayrıca, \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1} \] olduğundan, bu sınırlar \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n \] eşitsizliğini verir. Dolayısıyla, \(A_n-A_{n-1}\) tam sayı dizisi \(\alpha/2\) sayısına yakınsar.
Yakınsak her tam sayı dizisi bir yerden sonra sabittir: yeterince ilerideki tüm terimler, uzunluğu \(1\) sayısından küçük olan ve en fazla bir tam sayı içeren bir aralıkta bulunur. Bu nedenle limiti bir tam sayıdır. Dolayısıyla \(\alpha/2\in\mathbb Z\) olur; yani \(\alpha\) bir çift tam sayıdır.
Tersine, bir \(m\in\mathbb Z\) için \(\alpha=2m\) ise her \(n\) pozitif tam sayısı için \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1) \] olur ve bu sayı \(n\) sayısının bir katıdır. Böylece her çift tam sayı şartı sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2024 · Problema 1
Determinar todos los números reales \(\alpha\) tales que, para cada entero positivo \(n\), el entero \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] es un múltiplo de \(n\). (Nota: la parte entera \(\lfloor z\rfloor\) denota el mayor entero que es menor o igual a \(z\). Por ejemplo, \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) y \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2{,}9\rfloor=2\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todos los enteros pares: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
Solución
Supongamos que \(\alpha\) satisface la condición. Para cada entero positivo \(n\), definimos \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] Por hipótesis, cada \(A_n\) es un entero.
Para \(n\ge2\), al sumar las desigualdades \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] para \(1\le k\le n-1\), y dividir después por \(n-1\), obtenemos \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] Además, \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] Como \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1}, \] estas cotas implican \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] Por consiguiente, la sucesión de enteros \(A_n-A_{n-1}\) converge a \(\alpha/2\).
Toda sucesión convergente de enteros es eventualmente constante: todos los términos a partir de cierto índice pertenecen a un intervalo de longitud menor que \(1\), que contiene a lo más un entero. Por tanto, su límite es un entero. Así pues, \(\alpha/2\in\mathbb Z\), de modo que \(\alpha\) es un entero par.
Recíprocamente, si \(\alpha=2m\) para algún \(m\in\mathbb Z\), entonces, para cada entero positivo \(n\), \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] que es un múltiplo de \(n\). Por tanto, todo entero par satisface la condición.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2024 · 问题 1
求所有实数 \(\alpha\) 满足:对任意正整数 \(n\),整数 \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] 均为 \(n\) 的倍数。(注:\(\lfloor z\rfloor\) 表示小于等于 \(z\) 的最大整数。例如,\(\lfloor-\pi\rfloor=-4\),\(\lfloor2\rfloor=\lfloor2.9\rfloor=2\)。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有偶整数: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
解答
设 \(\alpha\) 满足题设条件。对每个正整数 \(n\),定义 \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] 由题设,每个 \(A_n\) 都是整数。
对于 \(n\ge2\),将不等式 \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] 对 \(1\le k\le n-1\) 求和,再除以 \(n-1\),得 \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] 此外, \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] 由于 \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1}, \] 由上述界可得 \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] 因此,整数数列 \(A_n-A_{n-1}\) 收敛于 \(\alpha/2\)。
任何收敛的整数数列从某一项起必为常数:充分靠后的所有项都落在一个长度小于 \(1\) 的区间内,而该区间至多含有一个整数。因此,其极限为整数。于是 \(\alpha/2\in\mathbb Z\),故 \(\alpha\) 为偶整数。
反之,若 \(\alpha=2m\),其中 \(m\in\mathbb Z\),则对每个正整数 \(n\), \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] 它是 \(n\) 的倍数。因此,每个偶整数都满足题设条件。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2024 · Задача 1
Найдите все действительные числа \(\alpha\) такие, что для любого положительного целого \(n\) целое число \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] кратно \(n\). (Здесь \(\lfloor z\rfloor\) обозначает наибольшее целое число, не превосходящее \(z\). Например, \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) и \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2{,}9\rfloor=2\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все чётные целые числа: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
Решение
Пусть \(\alpha\) удовлетворяет условию. Для каждого положительного целого \(n\) определим \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] По условию каждое \(A_n\) — целое число.
При \(n\ge2\), складывая неравенства \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] по всем \(1\le k\le n-1\) и затем деля на \(n-1\), получаем \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] Кроме того, \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] Поскольку \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1}, \] из этих оценок следует \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] Следовательно, целочисленная последовательность \(A_n-A_{n-1}\) сходится к \(\alpha/2\).
Любая сходящаяся последовательность целых чисел начиная с некоторого места постоянна: все её члены с достаточно большими номерами лежат в интервале длины меньше \(1\), который содержит не более одного целого числа. Поэтому её предел — целое число. Значит, \(\alpha/2\in\mathbb Z\), то есть \(\alpha\) — чётное целое число.
Обратно, если \(\alpha=2m\) для некоторого \(m\in\mathbb Z\), то для любого положительного целого \(n\) \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] что кратно \(n\). Таким образом, любое чётное целое число удовлетворяет условию.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2024 · المسألة 1
حدد جميع الأعداد الحقيقية \(\alpha\) بحيث، لكل عدد صحيح موجب \(n\)، يكون العدد: \[ \lfloor\alpha\rfloor+\lfloor2\alpha\rfloor+\cdots+\lfloor n\alpha\rfloor \] مضاعفاً لـ \(n\). (لاحظ أن \(\lfloor z\rfloor\) يرمز إلى أكبر عدد صحيح أقل من أو يساوي \(z\). على سبيل المثال، \(\lfloor-\pi\rfloor=-4\) و \(\lfloor2\rfloor=\lfloor2.9\rfloor=2\).)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع الأعداد الصحيحة الزوجية: \[ \boxed{\alpha\in2\mathbb Z}. \]
الحل
لنفترض أن \(\alpha\) يحقق الشرط. لكل عدد صحيح موجب \(n\)، نعرّف \[ A_n=\frac1n\sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor. \] بحسب الفرض، كل \(A_n\) عدد صحيح.
عندما \(n\ge2\)، نجمع المتباينات \[ k\alpha-1<\lfloor k\alpha\rfloor\le k\alpha \] على \(1\le k\le n-1\)، ثم نقسم على \(n-1\)، فنحصل على \[ \frac{n\alpha}{2}-1<A_{n-1}\le\frac{n\alpha}{2}. \] ولدينا أيضاً \[ n\alpha-1<\lfloor n\alpha\rfloor\le n\alpha. \] وبما أن \[ n(A_n-A_{n-1})=\lfloor n\alpha\rfloor-A_{n-1}, \] فإن هذه الحدود تستلزم \[ \frac{\alpha}{2}-\frac1n <A_n-A_{n-1}< \frac{\alpha}{2}+\frac1n. \] ومن ثم فإن متتابعة الأعداد الصحيحة \(A_n-A_{n-1}\) تتقارب إلى \(\alpha/2\).
كل متتابعة متقاربة من الأعداد الصحيحة تكون ثابتة ابتداءً من حد ما: فجميع حدودها ذات الرتب الكبيرة بما يكفي تقع في فترة طولها أقل من \(1\)، وهي تحتوي على عدد صحيح واحد على الأكثر. لذلك تكون نهايتها عدداً صحيحاً. إذن \(\alpha/2\in\mathbb Z\)، وبالتالي \(\alpha\) عدد صحيح زوجي.
وبالعكس، إذا كان \(\alpha=2m\) لبعض \(m\in\mathbb Z\)، فإننا نحصل، لكل عدد صحيح موجب \(n\)، على \[ \sum_{k=1}^{n}\lfloor k\alpha\rfloor =\sum_{k=1}^{n}2mk =mn(n+1), \] وهو مضاعف لـ \(n\). ومن ثم فإن كل عدد صحيح زوجي يحقق الشرط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.