IMO 2024 · Problem 2
Determine all pairs \((a,b)\) of positive integers for which there exist positive integers \(g\) and \(N\) such that \[ \gcd(a^n+b,\ b^n+a)=g \] holds for all integers \(n\geq N\). (Note that \(\gcd(x,y)\) denotes the greatest common divisor of integers \(x\) and \(y\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The only pair is \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
Solution
Suppose that \((a,b)\) satisfies the condition, with fixed positive integers \(g\) and \(N\). Set \[ d=ab+1. \] Since \(\gcd(a,d)=\gcd(b,d)=1\), Euler’s theorem gives \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] where \(\varphi\) is Euler’s totient function. Choose a positive multiple \(t\) of \(\varphi(d)\) such that \(t-1\geq N\). Thus \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
As \(ab\equiv-1\pmod d\), we have \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] and \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] We may cancel \(a\) and \(b\), respectively, because both are coprime to \(d\). Consequently, \[ d\mid\gcd(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
The hypothesis also applies at \(n=t\), so \(g\) divides both \(a^t+b\) and \(b^t+a\). Therefore \(d\) divides both of these numbers. Reducing modulo \(d\) gives \[ d\mid b+1 \qquad\text{and}\qquad d\mid a+1. \] All these numbers are positive, so \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{and}\qquad ab+1\leq a+1. \] The first inequality implies \(a\leq1\), and the second implies \(b\leq1\). Since \(a,b\) are positive integers, \(a=b=1\).
Conversely, for \((a,b)=(1,1)\), \[ \gcd(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] for every positive integer \(n\). Hence this pair satisfies the condition with \(g=2\) and \(N=1\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2024 · Aufgabe 2
Man bestimme alle Paare \((a,b)\) positiver ganzer Zahlen, für die es positive ganze Zahlen \(g\) und \(N\) gibt, sodass \[ \operatorname{ggT}(a^n+b,b^n+a)=g \] für alle ganzen Zahlen \(n\ge N\) gilt.
(Dabei bezeichnet \(\operatorname{ggT}(x,y)\) den größten gemeinsamen Teiler der ganzen Zahlen \(x\) und \(y\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Das einzige Paar ist \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
Lösung
Es sei \((a,b)\) ein Paar, das die Bedingung mit festen positiven ganzen Zahlen \(g\) und \(N\) erfüllt. Wir setzen \[ d=ab+1. \] Da \(\operatorname{ggT}(a,d)=\operatorname{ggT}(b,d)=1\) gilt, liefert der Satz von Euler \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] wobei \(\varphi\) die eulersche Phi-Funktion ist. Wir wählen ein positives Vielfaches \(t\) von \(\varphi(d)\) mit \(t-1\geq N\). Somit gilt \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
Wegen \(ab\equiv-1\pmod d\) gilt \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] und \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] Wir dürfen \(a\) beziehungsweise \(b\) kürzen, da beide teilerfremd zu \(d\) sind. Folglich gilt \[ d\mid\operatorname{ggT}(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
Die Voraussetzung gilt auch für \(n=t\), also teilt \(g\) sowohl \(a^t+b\) als auch \(b^t+a\). Daher teilt \(d\) diese beiden Zahlen. Durch Reduktion modulo \(d\) erhalten wir \[ d\mid b+1 \qquad\text{und}\qquad d\mid a+1. \] Alle diese Zahlen sind positiv, also gilt \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{und}\qquad ab+1\leq a+1. \] Die erste Ungleichung impliziert \(a\leq1\), die zweite \(b\leq1\). Da \(a,b\) positive ganze Zahlen sind, gilt \(a=b=1\).
Umgekehrt gilt für \((a,b)=(1,1)\) \[ \operatorname{ggT}(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] für jede positive ganze Zahl \(n\). Somit erfüllt dieses Paar die Bedingung mit \(g=2\) und \(N=1\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2024 · Soru 2
Aşağıdaki koşulu sağlayan tüm \((a,b)\) pozitif tam sayı ikililerini bulunuz:
\((a,b)\) ikilisi için, öyle \(g\) ve \(N\) pozitif tam sayıları vardır ki, tüm \(n\ge N\) tam sayıları için \[ \operatorname{ebob}(a^n+b,b^n+a)=g \] eşitliği sağlanır. (\(\operatorname{ebob}(x,y)\) ifadesi, \(x\) ve \(y\) tam sayılarının en büyük ortak bölenini göstermektedir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tek ikili \[ \boxed{(a,b)=(1,1)} \] ikilisidir.
Çözüm
\((a,b)\) ikilisinin sabit \(g\) ve \(N\) pozitif tam sayılarıyla koşulu sağladığını varsayalım. \[ d=ab+1 \] olsun. \(\operatorname{ebob}(a,d)=\operatorname{ebob}(b,d)=1\) olduğundan, Euler teoremi \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d \] bağıntısını verir; burada \(\varphi\), Euler'in fi fonksiyonudur. \(\varphi(d)\) sayısının \(t-1\geq N\) olacak şekilde bir \(t\) pozitif katını seçelim. Böylece \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
\(ab\equiv-1\pmod d\) olduğundan, \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d \] ve \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d \] elde edilir. Hem \(a\) hem de \(b\), \(d\) ile aralarında asal olduğundan, sırasıyla \(a\) ve \(b\) çarpanlarını sadeleştirebiliriz. Dolayısıyla, \[ d\mid\operatorname{ebob}(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
Varsayım \(n=t\) için de geçerlidir; dolayısıyla \(g\), hem \(a^t+b\) hem de \(b^t+a\) sayısını böler. O hâlde \(d\) de bu iki sayıyı böler. Modulo \(d\) indirgeyince \[ d\mid b+1 \qquad\text{ve}\qquad d\mid a+1 \] elde edilir. Bu sayıların hepsi pozitif olduğundan, \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{ve}\qquad ab+1\leq a+1. \] İlk eşitsizlik \(a\leq1\), ikincisi ise \(b\leq1\) sonucunu verir. \(a,b\) pozitif tam sayılar olduğundan, \(a=b=1\) olur.
Tersine, \((a,b)=(1,1)\) için her \(n\) pozitif tam sayısında \[ \operatorname{ebob}(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] olur. Dolayısıyla bu ikili, \(g=2\) ve \(N=1\) ile koşulu sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2024 · Problema 2
Determinar todas las parejas \((a,b)\) de enteros positivos para las que existen enteros positivos \(g\) y \(N\) tales que \[ \operatorname{mcd}(a^n+b,b^n+a)=g \] se cumple para todo \(n\ge N\). (Nota: \(\operatorname{mcd}(x,y)\) denota el máximo común divisor de \(x\) e \(y\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
La única pareja es \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
Solución
Supongamos que \((a,b)\) satisface la condición, con enteros positivos fijos \(g\) y \(N\). Sea \[ d=ab+1. \] Como \(\operatorname{mcd}(a,d)=\operatorname{mcd}(b,d)=1\), el teorema de Euler da \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] donde \(\varphi\) es la función indicatriz de Euler. Elegimos un múltiplo positivo \(t\) de \(\varphi(d)\) tal que \(t-1\geq N\). Así, \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
Como \(ab\equiv-1\pmod d\), tenemos \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] y \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] Podemos cancelar \(a\) y \(b\), respectivamente, porque ambos son coprimos con \(d\). Por consiguiente, \[ d\mid\operatorname{mcd}(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
La hipótesis también se aplica a \(n=t\), por lo que \(g\) divide tanto a \(a^t+b\) como a \(b^t+a\). Por tanto, \(d\) divide a ambos números. Al reducir módulo \(d\), obtenemos \[ d\mid b+1 \qquad\text{y}\qquad d\mid a+1. \] Todos estos números son positivos, así que \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{y}\qquad ab+1\leq a+1. \] La primera desigualdad implica \(a\leq1\), y la segunda implica \(b\leq1\). Como \(a,b\) son enteros positivos, \(a=b=1\).
Recíprocamente, para \((a,b)=(1,1)\), \[ \operatorname{mcd}(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] para cada entero positivo \(n\). Por tanto, esta pareja satisface la condición con \(g=2\) y \(N=1\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2024 · 问题 2
求所有正整数对 \((a,b)\) 满足:存在正整数 \(g\) 和 \(N\) 使得 \[ \gcd(a^n+b,b^n+a)=g \] 对所有整数 \(n\ge N\) 均成立。(注:\(\gcd(x,y)\) 表示整数 \(x\) 与 \(y\) 的最大公约数。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
唯一的数对是 \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
解答
设 \((a,b)\) 满足题设条件,其中正整数 \(g\) 和 \(N\) 固定。令 \[ d=ab+1. \] 由于 \(\gcd(a,d)=\gcd(b,d)=1\),由欧拉定理得 \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] 其中 \(\varphi\) 为欧拉函数。选取 \(\varphi(d)\) 的一个正整数倍 \(t\),使得 \(t-1\geq N\)。于是 \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
由于 \(ab\equiv-1\pmod d\),有 \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] 以及 \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] 因为 \(a\) 和 \(b\) 都与 \(d\) 互素,所以可在上述同余式中分别约去 \(a\) 和 \(b\)。因此, \[ d\mid\gcd(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
题设条件在 \(n=t\) 时也成立,故 \(g\) 同时整除 \(a^t+b\) 和 \(b^t+a\)。因此,\(d\) 也同时整除这两个数。模 \(d\) 化简得 \[ d\mid b+1 \qquad\text{且}\qquad d\mid a+1. \] 这些数均为正数,因此 \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{且}\qquad ab+1\leq a+1. \] 第一个不等式推出 \(a\leq1\),第二个不等式推出 \(b\leq1\)。由于 \(a,b\) 为正整数,故 \(a=b=1\)。
反之,对于 \((a,b)=(1,1)\), \[ \gcd(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] 对每个正整数 \(n\) 都成立。因此,该数对满足题设条件,其中可取 \(g=2\) 和 \(N=1\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2024 · Задача 2
Найдите все пары \((a,b)\) положительных целых чисел, для которых существуют такие положительные целые \(g\) и \(N\), что \[ \operatorname{НОД}(a^n+b,\ b^n+a)=g \] для всех целых чисел \(n\ge N\). (Здесь \(\operatorname{НОД}(x,y)\) обозначает наибольший общий делитель целых чисел \(x\) и \(y\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственная пара — \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
Решение
Пусть \((a,b)\) удовлетворяет условию при фиксированных положительных целых \(g\) и \(N\). Положим \[ d=ab+1. \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(a,d)=\operatorname{НОД}(b,d)=1\), по теореме Эйлера \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] где \(\varphi\) — функция Эйлера. Выберем положительное число \(t\), кратное \(\varphi(d)\), так, чтобы \(t-1\geq N\). Тогда \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
Так как \(ab\equiv-1\pmod d\), имеем \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] и \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] Можно сократить эти сравнения на \(a\) и \(b\) соответственно, поскольку оба числа взаимно просты с \(d\). Следовательно, \[ d\mid\operatorname{НОД}(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
Условие применимо и при \(n=t\), поэтому \(g\) делит как \(a^t+b\), так и \(b^t+a\). Следовательно, \(d\) делит оба этих числа. Переходя к остаткам по модулю \(d\), получаем \[ d\mid b+1 \qquad\text{и}\qquad d\mid a+1. \] Все эти числа положительны, поэтому \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{и}\qquad ab+1\leq a+1. \] Из первого неравенства следует \(a\leq1\), а из второго — \(b\leq1\). Поскольку \(a,b\) — положительные целые числа, \(a=b=1\).
Обратно, для \((a,b)=(1,1)\) \[ \operatorname{НОД}(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] при любом положительном целом \(n\). Значит, эта пара удовлетворяет условию при \(g=2\) и \(N=1\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2024 · المسألة 2
حدد جميع أزواج الأعداد الصحيحة الموجبة \((a,b)\) بحيث يوجد عددان صحيحان موجبان \(g\) و \(N\) يحققان: \[ \gcd(a^n+b,b^n+a)=g \] لكل الأعداد الصحيحة \(n\ge N\). (لاحظ أن \(\gcd(x,y)\) ترمز للقاسم المشترك الأكبر للعددين الصحيحين \(x\) و \(y\).)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الزوج الوحيد هو \[ \boxed{(a,b)=(1,1)}. \]
الحل
لنفترض أن \((a,b)\) يحقق الشرط، مع عددين صحيحين موجبين ثابتين \(g\) و \(N\). نضع \[ d=ab+1. \] بما أن \(\gcd(a,d)=\gcd(b,d)=1\)، فإن مبرهنة أويلر تعطي \[ a^{\varphi(d)}\equiv b^{\varphi(d)}\equiv1\pmod d, \] حيث \(\varphi\) هي دالة أويلر. نختار مضاعفاً موجباً \(t\) لـ \(\varphi(d)\) بحيث \(t-1\geq N\). وعليه \[ a^t\equiv b^t\equiv1\pmod d. \]
بما أن \(ab\equiv-1\pmod d\)، فإن \[ a(a^{t-1}+b)=a^t+ab\equiv0\pmod d, \] و \[ b(b^{t-1}+a)=b^t+ab\equiv0\pmod d. \] يمكننا اختزال \(a\) و \(b\)، على الترتيب، لأن كلاً منهما أولي نسبياً مع \(d\). ومن ثم \[ d\mid\gcd(a^{t-1}+b,\ b^{t-1}+a)=g. \]
ينطبق الفرض أيضاً عند \(n=t\)، ولذلك يقسم \(g\) كلاً من \(a^t+b\) و \(b^t+a\). وبالتالي يقسم \(d\) كلا هذين العددين. وبأخذ البواقي بترديد \(d\) نحصل على \[ d\mid b+1 \qquad\text{و}\qquad d\mid a+1. \] جميع هذه الأعداد موجبة، ولذلك \[ ab+1\leq b+1 \qquad\text{و}\qquad ab+1\leq a+1. \] تستلزم المتباينة الأولى \(a\leq1\)، وتستلزم الثانية \(b\leq1\). وبما أن \(a,b\) عددان صحيحان موجبان، فإن \(a=b=1\).
وبالعكس، عندما \((a,b)=(1,1)\)، يكون \[ \gcd(1^n+1,\ 1^n+1)=2 \] لكل عدد صحيح موجب \(n\). ومن ثم فإن هذا الزوج يحقق الشرط مع \(g=2\) و \(N=1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.