IMO 2024 · Problem 3
Let \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) be an infinite sequence of positive integers, and let \(N\) be a positive integer. Suppose that, for each \(n>N\), \(a_n\) is equal to the number of times \(a_{n-1}\) appears in the list \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\).
Prove that at least one of the sequences \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) and \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) is eventually periodic.
(An infinite sequence \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) is eventually periodic if there exist positive integers \(p\) and \(M\) such that \(b_{m+p}=b_m\) for all \(m\ge M\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For a positive integer \(x\), write \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] The given rule says that \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] Consequently, no ordered pair \((x,y)\) occurs twice as \((a_n,a_{n+1})\) with \(n\ge N\): at successive occurrences of \(x\), its occurrence count strictly increases.
Set \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] Call a term small if it is at most \(B\), and large otherwise.
We first prove that two large terms cannot be consecutive. Suppose otherwise, and let \(a_t,a_{t+1}\) be the first such pair. Every occurrence of the value \(a_t\) among \(a_1,\ldots,a_t\) is after position \(N\) and is preceded by a small term. These preceding terms must be distinct, since an ordered pair cannot repeat. Thus \(a_t\) has occurred at most \(B\) times, giving \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B, \] a contradiction.
The same observation shows that each large value occurs at most \(B\) times in the entire sequence: every occurrence is preceded by one of the \(B\) small values, and each such ordered pair occurs at most once.
There are also only finitely many consecutive pairs of small terms, because there are only \(B^2\) possible ordered pairs of small values. Hence, from some point onward, the sequence alternates between small and large terms.
Let \(S\) be the set of small values occurring infinitely often, and put \(k=|S|\). The alternation shows that \(k\ge1\). Choose \(L\ge N\) so that every small term at a position at least \(L\) belongs to \(S\), and set \[ H=\max(B,L). \] Every term among \(a_1,\ldots,a_L\) is at most \(H\): the first \(N\) terms are at most \(B\), and \(a_n\le n-1\) for \(n>N\).
Consider any integer \(y>H\). Every occurrence of \(y\) is after position \(L\) and is preceded by a member of \(S\). Conversely, for each \(x\in S\), the \(y\)-th occurrence of \(x\) is after position \(L\), and its successor is \(y\). Thus \(y\) occurs exactly \(k\) times, once following each member of \(S\).
The successors of these \(k\) occurrences of \(y\), in chronological order, are \(1,2,\ldots,k\). Since there are infinitely many choices of \(y>H\), each of \(1,2,\ldots,k\) occurs infinitely often. As \(S\) has exactly \(k\) members, we obtain \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
Each large value occurs only finitely often, so the large terms tend to infinity. We may therefore choose a tail of the form \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] where \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] and every value \(1,\ldots,k\) occurs infinitely often among the \(b_t\).
We will prove that \((b_t)\) is eventually periodic. If \(k=1\), this is immediate, so assume \(k\ge2\).
For \(1\le i\le k\), let \(q_i(t)\) be the number of occurrences of \(i\) strictly before the displayed term \(b_t\). Let \(e_i\) denote the \(i\)-th unit vector. Then \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] Every occurrence of \(h_t\) follows the \(h_t\)-th occurrence of exactly one member of \(\{1,\ldots,k\}\). By the time the displayed \(h_t\) has appeared, this has happened for precisely those \(i\) satisfying \(q_i(t+1)\ge h_t\). Therefore \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
We now establish that the differences between the coordinates of \(q(t)\) remain bounded.
Let \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] be the coordinates of \(q(t)\), sorted in decreasing order. When an integer coordinate increases from \(v\) to \(v+1\), the sorted vector increases by \(1\) at exactly position \[ 1+\#\{\text{coordinates previously greater than }v\}. \] This position is the number of coordinates at least \(v+1\) after the increase. By (2), it is \(b_{t+1}\). Hence \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] Together with (1), this gives the invariant \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] where \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) is fixed.
Choose the positive integer \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] Equation (3) implies \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{for every }i,t. \tag{4} \] Define \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] We claim that \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
Suppose (5) fails for some \(r\), and let \(t\) be the first time that this particular gap exceeds \(G\). The gap must have increased at this step, so the sorted coordinate that increased was \(s_r\). Thus \(b_t=r\). Moreover, for every \(i\le r<j\), (4) gives \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] In other words, all coordinates with labels \(1,\ldots,r\) are strictly larger than all remaining coordinates.
Now \(b_t=r\), so the next step increases one of the first \(r\) coordinates. Their strict separation from the remaining coordinates persists. Formula (2) then gives \(b_{t+1}\le r\). Repeating this argument shows that \[ b_u\le r\qquad\text{for all }u\ge t. \] This contradicts the fact that every value \(1,\ldots,k\) occurs infinitely often among the \(b_u\). Thus (5) holds.
It follows that \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
Finally, put \(m(t)=\min_i q_i(t)\), and consider the state \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] By (7), this state has only finitely many possibilities. Equations (1) and (2) determine its next value uniquely: adding the same integer to all coordinates of \(q(t)\) changes neither the comparisons in (2) nor the normalized coordinates at the next step.
Thus we have a deterministic sequence of states in a finite set. Some state repeats, and from that point onward the states—and therefore the values \(b_t\)—are periodic.
The terms \(b_t\) occupy every other position in the original sequence. Consequently, one of its odd-indexed and even-indexed subsequences is eventually periodic, as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2024 · Aufgabe 3
Es sei \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) eine unendliche Folge positiver ganzer Zahlen, und es sei \(N\) eine positive ganze Zahl. Für jedes \(n>N\) komme die Zahl \(a_{n-1}\) unter \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\) genau \(a_n\) mal vor.
Man beweise, dass mindestens eine der Folgen \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) und \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) ab einer gewissen Stelle periodisch ist.
(Eine unendliche Folge \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) ist ab einer gewissen Stelle periodisch, falls es positive ganze Zahlen \(p\) und \(M\) gibt, sodass \(b_{m+p}=b_m\) für alle \(m\ge M\) gilt.)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für eine positive ganze Zahl \(x\) schreiben wir \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] Die gegebene Regel besagt, dass \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] Folglich tritt kein geordnetes Paar \((x,y)\) zweimal als \((a_n,a_{n+1})\) mit \(n\ge N\) auf: Bei aufeinanderfolgenden Vorkommen von \(x\) nimmt die Anzahl seiner bisherigen Vorkommen streng zu.
Wir setzen \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] Ein Glied heiße klein, wenn es höchstens \(B\) ist, und andernfalls groß.
Wir beweisen zunächst, dass zwei große Glieder nicht aufeinanderfolgen können. Nehmen wir das Gegenteil an, und seien \(a_t,a_{t+1}\) das erste solche Paar. Jedes Vorkommen des Wertes \(a_t\) unter \(a_1,\ldots,a_t\) liegt nach der Stelle \(N\), und ihm geht ein kleines Glied voraus. Diese vorausgehenden Glieder müssen verschieden sein, da sich ein geordnetes Paar nicht wiederholen kann. Somit ist \(a_t\) höchstens \(B\) Mal vorgekommen, woraus \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B \] folgt, ein Widerspruch.
Dieselbe Beobachtung zeigt, dass jeder große Wert in der gesamten Folge höchstens \(B\) Mal vorkommt: Jedem Vorkommen geht einer der \(B\) kleinen Werte voraus, und jedes solche geordnete Paar tritt höchstens einmal auf.
Es gibt auch nur endlich viele aufeinanderfolgende Paare kleiner Glieder, da es nur \(B^2\) mögliche geordnete Paare kleiner Werte gibt. Daher wechseln sich ab einer gewissen Stelle kleine und große Glieder in der Folge ab.
Sei \(S\) die Menge der kleinen Werte, die unendlich oft vorkommen, und sei \(k=|S|\). Aus dem Wechsel folgt \(k\ge1\). Wir wählen \(L\ge N\) so, dass jedes kleine Glied an einer Stelle mindestens \(L\) zu \(S\) gehört, und setzen \[ H=\max(B,L). \] Jedes Glied unter \(a_1,\ldots,a_L\) ist höchstens \(H\): Die ersten \(N\) Glieder sind höchstens \(B\), und es gilt \(a_n\le n-1\) für \(n>N\).
Betrachten wir eine beliebige ganze Zahl \(y>H\). Jedes Vorkommen von \(y\) liegt nach der Stelle \(L\), und ihm geht ein Element von \(S\) voraus. Umgekehrt liegt für jedes \(x\in S\) das \(y\)-te Vorkommen von \(x\) nach der Stelle \(L\), und sein Nachfolger ist \(y\). Somit kommt \(y\) genau \(k\) Mal vor, einmal nach jedem Element von \(S\).
Die Nachfolger dieser \(k\) Vorkommen von \(y\) sind in der Reihenfolge ihres Auftretens \(1,2,\ldots,k\). Da es unendlich viele Möglichkeiten für \(y>H\) gibt, kommt jede der Zahlen \(1,2,\ldots,k\) unendlich oft vor. Da \(S\) genau \(k\) Elemente hat, erhalten wir \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
Jeder große Wert kommt nur endlich oft vor, also streben die großen Glieder gegen unendlich. Daher können wir einen Endabschnitt der Form \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] wählen, wobei \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] gilt und jeder Wert \(1,\ldots,k\) unter den \(b_t\) unendlich oft vorkommt.
Wir werden beweisen, dass \((b_t)\) ab einer gewissen Stelle periodisch ist. Für \(k=1\) ist dies unmittelbar klar, also nehmen wir \(k\ge2\) an.
Für \(1\le i\le k\) sei \(q_i(t)\) die Anzahl der Vorkommen von \(i\) strikt vor dem dargestellten Glied \(b_t\). Mit \(e_i\) bezeichnen wir den \(i\)-ten Einheitsvektor. Dann gilt \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] Jedes Vorkommen von \(h_t\) folgt auf das \(h_t\)-te Vorkommen genau eines Elements von \(\{1,\ldots,k\}\). Bis einschließlich des dargestellten Vorkommens von \(h_t\) ist dies für genau diejenigen \(i\) geschehen, für die \(q_i(t+1)\ge h_t\) gilt. Daher gilt \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
Wir zeigen nun, dass die Differenzen zwischen den Koordinaten von \(q(t)\) beschränkt bleiben.
Es seien \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] die absteigend geordneten Koordinaten von \(q(t)\). Wenn eine ganzzahlige Koordinate von \(v\) auf \(v+1\) erhöht wird, erhöht sich der sortierte Vektor um \(1\) an genau der Stelle \[ 1+\#\{\text{Koordinaten, die zuvor größer als }v\}. \] Diese Stelle ist die Anzahl der Koordinaten, die nach der Erhöhung mindestens \(v+1\) betragen. Nach (2) ist dies \(b_{t+1}\). Daher gilt \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] Zusammen mit (1) ergibt dies die Invariante \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] wobei \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) fest ist.
Wir wählen die positive ganze Zahl \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] Aus Gleichung (3) folgt \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{für alle }i,t. \tag{4} \] Wir definieren \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] Wir behaupten, dass \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
Angenommen, (5) gilt für ein \(r\) nicht, und sei \(t\) der erste Zeitpunkt, zu dem diese bestimmte Differenz größer als \(G\) ist. Die Differenz muss in diesem Schritt zugenommen haben, also war \(s_r\) diejenige sortierte Koordinate, die erhöht wurde. Somit gilt \(b_t=r\). Außerdem liefert (4) für alle \(i\le r<j\) \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] Mit anderen Worten sind alle Koordinaten mit den Indizes \(1,\ldots,r\) strikt größer als alle übrigen Koordinaten.
Nun ist \(b_t=r\), also wird im nächsten Schritt eine der ersten \(r\) Koordinaten erhöht. Ihre strikte Trennung von den übrigen Koordinaten bleibt erhalten. Formel (2) liefert dann \(b_{t+1}\le r\). Durch Wiederholung dieses Arguments folgt \[ b_u\le r\qquad\text{für alle }u\ge t. \] Dies widerspricht der Tatsache, dass jeder Wert \(1,\ldots,k\) unter den \(b_u\) unendlich oft vorkommt. Somit gilt (5).
Daraus folgt \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
Schließlich setzen wir \(m(t)=\min_i q_i(t)\) und betrachten den Zustand \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] Nach (7) gibt es nur endlich viele Möglichkeiten für diesen Zustand. Die Gleichungen (1) und (2) bestimmen seinen nächsten Wert eindeutig: Addiert man dieselbe ganze Zahl zu allen Koordinaten von \(q(t)\), so ändern sich weder die Vergleiche in (2) noch die normierten Koordinaten im nächsten Schritt.
Somit liegt eine deterministische Folge von Zuständen in einer endlichen Menge vor. Ein Zustand wiederholt sich, und von dieser Stelle an sind die Zustände — und damit die Werte \(b_t\) — periodisch.
Die Glieder \(b_t\) stehen an jeder zweiten Stelle der ursprünglichen Folge. Folglich ist eine ihrer Teilfolgen mit ungeraden beziehungsweise geraden Indizes ab einer gewissen Stelle periodisch, wie verlangt. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2024 · Soru 3
Pozitif tam sayılardan oluşan \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) sonsuz dizisi ve \(N\) pozitif tam sayısı verilmiştir. Bu dizide her \(n>N\) için \(a_n\) terimi; \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\) terimlerinden \(a_{n-1}\) terimine eşit olanların sayısına eşittir.
\(a_1,a_3,a_5,\ldots\) ve \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) dizilerinin en az bir tanesinin bir yerden sonra periyodik olduğunu ispatlayınız.
(\(b_1,b_2,b_3,\ldots\) sonsuz dizisi; her \(m\ge M\) için \(b_{m+p}=b_m\) olacak şekilde \(p\) ve \(M\) pozitif tam sayıları varsa bir yerden sonra periyodiktir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Bir \(x\) pozitif tam sayısı için \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\} \] yazalım. Verilen kural, \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N) \] olduğunu söyler. Dolayısıyla, hiçbir \((x,y)\) sıralı ikilisi, \(n\ge N\) olmak üzere \((a_n,a_{n+1})\) olarak iki kez ortaya çıkmaz: \(x\) değerinin ardışık her görünümünde, o ana kadarki görünüm sayısı kesin olarak artar.
\[ B=\max(a_1,\ldots,a_N) \] olsun. En fazla \(B\) olan bir terime küçük, diğerlerine ise büyük diyelim.
Önce iki büyük terimin ardışık olamayacağını ispatlayalım. Aksini varsayalım ve \(a_t,a_{t+1}\) böyle ilk ikili olsun. \(a_t\) değerinin \(a_1,\ldots,a_t\) arasındaki her görünümü, \(N\). konumdan sonradır ve öncesinde küçük bir terim vardır. Bir sıralı ikili tekrarlanamayacağından, öncesindeki bu terimler birbirinden farklı olmalıdır. Dolayısıyla \(a_t\) en fazla \(B\) kez görünmüştür; bu da \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B \] sonucunu verir ve bir çelişkidir.
Aynı gözlem, her büyük değerin dizinin tamamında en fazla \(B\) kez göründüğünü gösterir: her görünümünün öncesinde \(B\) küçük değerden biri vardır ve böyle her sıralı ikili en fazla bir kez ortaya çıkar.
Küçük değerlerden oluşan yalnızca \(B^2\) olası sıralı ikili bulunduğundan, ardışık küçük terimlerden oluşan ikililerin sayısı da sonludur. Dolayısıyla bir yerden sonra dizide küçük ve büyük terimler dönüşümlü olarak yer alır.
Sonsuz kez görünen küçük değerlerin kümesi \(S\) olsun ve \(k=|S|\) yazalım. Dönüşümlü sıralanma \(k\ge1\) olduğunu gösterir. Konumu en az \(L\) olan her küçük terim \(S\) kümesine ait olacak şekilde \(L\ge N\) seçelim ve \[ H=\max(B,L) \] olsun. \(a_1,\ldots,a_L\) arasındaki her terim en fazla \(H\) olur: ilk \(N\) terim en fazla \(B\) olur ve \(n>N\) için \(a_n\le n-1\) geçerlidir.
Herhangi bir \(y>H\) tam sayısını ele alalım. \(y\) değerinin her görünümü \(L\). konumdan sonradır ve öncesinde \(S\) kümesinin bir elemanı vardır. Tersine, her \(x\in S\) için \(x\) değerinin \(y\). görünümü \(L\). konumdan sonradır ve ardından gelen terim \(y\) olur. Böylece \(y\), \(S\) kümesinin her elemanından sonra birer kez olmak üzere tam olarak \(k\) kez görünür.
\(y\) değerinin bu \(k\) görünümünün ardından gelen terimler, zaman sırasıyla \(1,2,\ldots,k\) olur. \(y>H\) için sonsuz sayıda seçenek bulunduğundan, \(1,2,\ldots,k\) değerlerinin her biri sonsuz kez görünür. \(S\) kümesinin tam olarak \(k\) elemanı olduğundan, \[ S=\{1,2,\ldots,k\} \] elde ederiz.
Her büyük değer yalnızca sonlu kez göründüğünden, büyük terimler sonsuza gider. Bu nedenle, dizinin bir yerden sonraki kısmını \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots \] biçiminde seçebiliriz; burada \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H \] ve \(1,\ldots,k\) değerlerinin her biri \(b_t\) terimleri arasında sonsuz kez görünür.
\((b_t)\) dizisinin bir yerden sonra periyodik olduğunu ispatlayacağız. \(k=1\) ise bu açıktır; dolayısıyla \(k\ge2\) varsayalım.
\(1\le i\le k\) için \(q_i(t)\), yukarıda gösterilen \(b_t\) teriminden kesin olarak önce yer alan \(i\) değerlerinin sayısı olsun. \(e_i\), \(i\). birim vektörü göstersin. O zaman \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] \(h_t\) değerinin her görünümü, \(\{1,\ldots,k\}\) kümesinin tam olarak bir elemanının \(h_t\). görünümünü izler. Yukarıda gösterilen \(h_t\) terimi ortaya çıktığında bu, tam olarak \(q_i(t+1)\ge h_t\) koşulunu sağlayan \(i\) değerleri için gerçekleşmiştir. Bu nedenle \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
Şimdi \(q(t)\) vektörünün koordinatları arasındaki farkların sınırlı kaldığını göstereceğiz.
\(q(t)\) vektörünün azalan sıraya dizilmiş koordinatları \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] olsun. Bir tam sayı koordinat \(v\) değerinden \(v+1\) değerine arttığında, sıralanmış vektörde tam olarak \[ 1+\#\{\text{önceden şu değerden büyük olan koordinatlar: }v\} \] konumundaki koordinat \(1\) artar. Bu konum, artıştan sonra en az \(v+1\) olan koordinatların sayısıdır. (2) gereği, bu sayı \(b_{t+1}\) olur. Dolayısıyla \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] Bu, (1) ile birlikte \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d \tag{3} \] değişmezini verir; burada \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) sabittir.
\[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i| \] pozitif tam sayısını seçelim. (3) eşitliğinden \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{her }i,t \tag{4} \] için elde edilir. \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr) \] olarak tanımlayalım. Şu eşitsizliğin geçerli olduğunu iddia ediyoruz: \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
Bir \(r\) için (5) eşitsizliğinin sağlanmadığını varsayalım ve bu belirli farkın \(G\) değerini ilk kez aştığı an \(t\) olsun. Bu adımda fark artmış olmalıdır; dolayısıyla artan sıralanmış koordinat \(s_r\) olmuştur. Böylece \(b_t=r\) olur. Üstelik, her \(i\le r<j\) için (4), \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0 \tag{6} \] eşitsizliğini verir. Başka bir deyişle, indisleri \(1,\ldots,r\) olan tüm koordinatlar, geri kalan tüm koordinatlardan kesin olarak büyüktür.
Şimdi \(b_t=r\) olduğundan, bir sonraki adım ilk \(r\) koordinattan birini artırır. Bunların geri kalan koordinatlardan kesin olarak büyük olması özelliği korunur. Ardından (2) formülü \(b_{t+1}\le r\) sonucunu verir. Bu akıl yürütmeyi tekrarlayarak \[ b_u\le r\qquad\text{tüm }u\ge t \] için elde ederiz. Bu, \(1,\ldots,k\) değerlerinin her birinin \(b_u\) terimleri arasında sonsuz kez görünmesiyle çelişir. Dolayısıyla (5) geçerlidir.
Buradan \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G \tag{7} \] sonucu çıkar.
Son olarak, \(m(t)=\min_i q_i(t)\) olsun ve \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr) \] durumunu ele alalım. (7) gereği, bu durumun alabileceği yalnızca sonlu sayıda değer vardır. (1) ve (2) eşitlikleri bir sonraki değerini tek türlü belirler: \(q(t)\) vektörünün tüm koordinatlarına aynı tam sayıyı eklemek, ne (2) içindeki karşılaştırmaları ne de bir sonraki adımdaki normalize edilmiş koordinatları değiştirir.
Böylece sonlu bir kümede deterministik bir durum dizimiz vardır. Bir durum tekrarlanır ve o noktadan itibaren durumlar — dolayısıyla \(b_t\) değerleri — periyodik olur.
\(b_t\) terimleri asıl dizide birer konum atlayarak yer alır. Dolayısıyla dizinin tek indisli ve çift indisli alt dizilerinden biri bir yerden sonra periyodiktir; istenen de budur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2024 · Problema 3
Sea \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) una sucesión infinita de enteros positivos, y sea \(N\) un entero positivo. Supongamos que, para cada \(n>N\), \(a_n\) es igual al número de veces que aparece el valor \(a_{n-1}\) en la lista \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\).
Demostrar que al menos una de las sucesiones \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) y \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) es eventualmente periódica.
(Una sucesión infinita \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) es eventualmente periódica si existen enteros positivos \(p\) y \(M\) tales que \(b_{m+p}=b_m\) para todo \(m\ge M\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para un entero positivo \(x\), escribimos \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] La regla dada afirma que \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] Por consiguiente, ninguna pareja ordenada \((x,y)\) aparece dos veces como \((a_n,a_{n+1})\) con \(n\ge N\): en las apariciones sucesivas de \(x\), su número de apariciones aumenta estrictamente.
Sea \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] Llamamos pequeño a un término si es a lo más \(B\), y grande en caso contrario.
Primero demostramos que dos términos grandes no pueden ser consecutivos. Supongamos lo contrario, y sea \(a_t,a_{t+1}\) la primera pareja de este tipo. Toda aparición del valor \(a_t\) entre \(a_1,\ldots,a_t\) está después de la posición \(N\) y va precedida de un término pequeño. Estos términos precedentes deben ser distintos, ya que una pareja ordenada no puede repetirse. Por tanto, \(a_t\) ha aparecido a lo más \(B\) veces, lo que da \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B, \] una contradicción.
La misma observación muestra que cada valor grande aparece a lo más \(B\) veces en toda la sucesión: cada aparición va precedida de uno de los \(B\) valores pequeños, y cada una de estas parejas ordenadas aparece a lo más una vez.
También hay solo un número finito de parejas consecutivas de términos pequeños, porque solo hay \(B^2\) parejas ordenadas posibles de valores pequeños. Así pues, a partir de cierto punto, la sucesión alterna entre términos pequeños y grandes.
Sea \(S\) el conjunto de valores pequeños que aparecen infinitas veces, y sea \(k=|S|\). La alternancia muestra que \(k\ge1\). Elegimos \(L\ge N\) de modo que todo término pequeño en una posición mayor o igual que \(L\) pertenezca a \(S\), y definimos \[ H=\max(B,L). \] Cada término entre \(a_1,\ldots,a_L\) es a lo más \(H\): los primeros \(N\) términos son a lo más \(B\), y \(a_n\le n-1\) para \(n>N\).
Consideremos cualquier entero \(y>H\). Toda aparición de \(y\) está después de la posición \(L\) y va precedida de un elemento de \(S\). Recíprocamente, para cada \(x\in S\), la \(y\)-ésima aparición de \(x\) está después de la posición \(L\), y su sucesor es \(y\). Por tanto, \(y\) aparece exactamente \(k\) veces, una vez después de cada elemento de \(S\).
Los sucesores de estas \(k\) apariciones de \(y\), en orden cronológico, son \(1,2,\ldots,k\). Como hay infinitas elecciones de \(y>H\), cada uno de los valores \(1,2,\ldots,k\) aparece infinitas veces. Como \(S\) tiene exactamente \(k\) elementos, obtenemos \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
Cada valor grande aparece solo un número finito de veces, así que los términos grandes tienden a infinito. Por tanto, podemos elegir una cola de la sucesión de la forma \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] donde \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] y cada valor \(1,\ldots,k\) aparece infinitas veces entre los \(b_t\).
Demostraremos que \((b_t)\) es eventualmente periódica. Si \(k=1\), esto es inmediato, así que suponemos \(k\ge2\).
Para \(1\le i\le k\), sea \(q_i(t)\) el número de apariciones de \(i\) estrictamente anteriores al término \(b_t\) mostrado. Sea \(e_i\) el \(i\)-ésimo vector de la base canónica. Entonces \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] Cada aparición de \(h_t\) sigue a la \(h_t\)-ésima aparición de exactamente un elemento de \(\{1,\ldots,k\}\). En el momento en que ha aparecido el \(h_t\) mostrado, esto ha ocurrido precisamente para aquellos \(i\) que satisfacen \(q_i(t+1)\ge h_t\). Por tanto, \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
Ahora demostraremos que las diferencias entre las coordenadas de \(q(t)\) permanecen acotadas.
Sean \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] las coordenadas de \(q(t)\), ordenadas de mayor a menor. Cuando una coordenada entera aumenta de \(v\) a \(v+1\), el vector ordenado aumenta en \(1\) exactamente en la posición \[ 1+\#\{\text{coordenadas que antes eran mayores que }v\}. \] Esta posición es el número de coordenadas mayores o iguales que \(v+1\) después del aumento. Por (2), es \(b_{t+1}\). Así pues, \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] Junto con (1), esto da el invariante \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] donde \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) es fijo.
Elegimos el entero positivo \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] La ecuación (3) implica \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{para todo }i,t. \tag{4} \] Definimos \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] Afirmamos que \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
Supongamos que (5) no se cumple para algún \(r\), y sea \(t\) el primer instante en que esta diferencia particular supera \(G\). La diferencia debe haber aumentado en este paso, por lo que la coordenada ordenada que aumentó fue \(s_r\). Así pues, \(b_t=r\). Además, para todo \(i\le r<j\), (4) da \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] En otras palabras, todas las coordenadas con índices \(1,\ldots,r\) son estrictamente mayores que todas las coordenadas restantes.
Ahora bien, \(b_t=r\), por lo que el siguiente paso aumenta una de las primeras \(r\) coordenadas. Su separación estricta de las coordenadas restantes se mantiene. La fórmula (2) da entonces \(b_{t+1}\le r\). Repitiendo este argumento, vemos que \[ b_u\le r\qquad\text{para todo }u\ge t. \] Esto contradice el hecho de que cada valor \(1,\ldots,k\) aparece infinitas veces entre los \(b_u\). Por tanto, se cumple (5).
Se deduce que \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
Finalmente, sea \(m(t)=\min_i q_i(t)\), y consideremos el estado \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] Por (7), este estado tiene solo un número finito de posibilidades. Las ecuaciones (1) y (2) determinan de manera única su siguiente valor: sumar el mismo entero a todas las coordenadas de \(q(t)\) no cambia ni las comparaciones de (2) ni las coordenadas normalizadas en el siguiente paso.
Así pues, tenemos una sucesión determinista de estados en un conjunto finito. Algún estado se repite y, a partir de ese punto, los estados —y, por tanto, los valores \(b_t\)— son periódicos.
Los términos \(b_t\) ocupan posiciones alternas en la sucesión original. Por consiguiente, una de sus subsucesiones de índices impares y de índices pares es eventualmente periódica, como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2024 · 问题 3
设 \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) 是一个无穷项的正整数序列,且 \(N\) 是一个正整数。已知对任意整数 \(n>N\),\(a_n\) 等于整数 \(a_{n-1}\) 在 \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\) 中出现的次数。
证明:序列 \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) 与序列 \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) 两者至少有一个是最终周期的。
(一个无穷项的序列 \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) 称为最终周期的,如果存在正整数 \(p\) 和 \(M\) 使得 \(b_{m+p}=b_m\) 对所有整数 \(m\ge M\) 均成立。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
对正整数 \(x\),记 \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] 题设规则表明 \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] 因此,任何有序对 \((x,y)\) 都不可能在 \(n\ge N\) 时作为 \((a_n,a_{n+1})\) 出现两次:在 \(x\) 相继出现时,它的出现次数严格增加。
令 \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] 称不超过 \(B\) 的项为小项,其余的项为大项。
我们先证明,两个大项不可能相邻。反设不然,并设 \(a_t,a_{t+1}\) 是第一对相邻的大项。数值 \(a_t\) 在 \(a_1,\ldots,a_t\) 中每次出现的位置都在第 \(N\) 项之后,且其前一项为小项。这些前一项必互不相同,因为有序对不能重复。因此,\(a_t\) 至多出现了 \(B\) 次,从而 \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B, \] 矛盾。
同样的观察表明,每个大项的值在整个序列中至多出现 \(B\) 次:它每次出现时,前一项都是 \(B\) 个小项值之一,而每个这样的有序对至多出现一次。
相邻两项均为小项的情形也只有有限次,因为小项值的有序对只有 \(B^2\) 种可能。因此,从某一项起,序列中的小项与大项交替出现。
设 \(S\) 为出现无穷多次的小项值构成的集合,并令 \(k=|S|\)。由交替出现的性质可知 \(k\ge1\)。选取 \(L\ge N\),使得位置不小于 \(L\) 的每个小项都属于 \(S\),并令 \[ H=\max(B,L). \] 在 \(a_1,\ldots,a_L\) 中,每一项都不超过 \(H\):前 \(N\) 项都不超过 \(B\),而当 \(n>N\) 时,\(a_n\le n-1\)。
考虑任意整数 \(y>H\)。\(y\) 每次出现的位置都在第 \(L\) 项之后,且其前一项属于 \(S\)。反之,对每个 \(x\in S\),\(x\) 第 \(y\) 次出现的位置在第 \(L\) 项之后,且其后一项为 \(y\)。因此,\(y\) 恰好出现 \(k\) 次,分别在 \(S\) 的每个元素之后出现一次。
按时间先后顺序,这 \(k\) 次出现的 \(y\) 的后一项依次为 \(1,2,\ldots,k\)。由于 \(y>H\) 有无穷多种选择,\(1,2,\ldots,k\) 中的每个数都出现无穷多次。由于 \(S\) 恰有 \(k\) 个元素,得到 \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
每个大项值只出现有限次,因此大项趋于无穷大。所以我们可以选取如下形式的一段尾序列 \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] 其中 \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] 并且 \(1,\ldots,k\) 中的每个值都在 \(b_t\) 中出现无穷多次。
我们将证明 \((b_t)\) 是最终周期的。若 \(k=1\),结论显然成立,故以下设 \(k\ge2\)。
对 \(1\le i\le k\),设 \(q_i(t)\) 为上述项 \(b_t\) 之前 \(i\) 出现的次数。记 \(e_i\) 为第 \(i\) 个单位向量。则 \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] \(h_t\) 每次出现,都紧接在 \(\{1,\ldots,k\}\) 中恰好一个元素的第 \(h_t\) 次出现之后。当上述 \(h_t\) 出现时,恰好对满足 \(q_i(t+1)\ge h_t\) 的那些 \(i\),这一情形已经发生。因此 \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
现在我们证明,\(q(t)\) 各坐标之间的差保持有界。
设 \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] 为将 \(q(t)\) 的各坐标按递减顺序排列所得的数。当一个整数坐标从 \(v\) 增至 \(v+1\) 时,排序后的向量恰好在位置 \[ 1+\#\{\text{原先坐标值大于 }v\} \] 处增加 \(1\)。这一位置等于增加后不小于 \(v+1\) 的坐标个数。由 (2),它就是 \(b_{t+1}\)。因此 \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] 结合 (1),得到不变量 \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] 其中 \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) 为固定向量。
选取正整数 \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] 由等式 (3) 可知 \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{对任意 }i,t. \tag{4} \] 定义 \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] 我们断言 \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
假设 (5) 对某个 \(r\) 不成立,并设 \(t\) 为这一差值首次超过 \(G\) 的时刻。差值必在这一步增大,因此排序后增加的坐标是 \(s_r\)。于是 \(b_t=r\)。此外,对每个 \(i\le r<j\),由 (4) 得 \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] 换言之,编号为 \(1,\ldots,r\) 的所有坐标都严格大于其余所有坐标。
现在 \(b_t=r\),故下一步增加的是前 \(r\) 个坐标之一。它们与其余坐标之间的严格大小关系保持不变。于是公式 (2) 给出 \(b_{t+1}\le r\)。反复应用这一论证,得到 \[ b_u\le r\qquad\text{对所有 }u\ge t. \] 这与 \(1,\ldots,k\) 中的每个值都在 \(b_u\) 中出现无穷多次矛盾。因此 (5) 成立。
由此可得 \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
最后,令 \(m(t)=\min_i q_i(t)\),并考虑状态 \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] 由 (7),这一状态只有有限种可能。等式 (1) 和 (2) 唯一确定其下一个值:给 \(q(t)\) 的所有坐标加上同一个整数,既不改变 (2) 中的比较结果,也不改变下一步归一化后的坐标。
因此,我们得到一个有限集合中的确定性状态序列。某个状态必会重复,而从那时起,状态以及 \(b_t\) 的值都会周期性地重复。
各项 \(b_t\) 在原序列中每隔一项出现一次。因此,原序列的奇数下标子序列和偶数下标子序列中至少有一个是最终周期的,结论得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2024 · Задача 3
Даны бесконечная последовательность положительных целых чисел \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) и положительное целое число \(N\). Известно, что для любого \(n>N\) число \(a_n\) равно количеству раз, которое число \(a_{n-1}\) встречается среди \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\). Докажите, что хотя бы одна из последовательностей \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) и \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) является в конечном итоге периодической. (Последовательность \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) называется в конечном итоге периодической, если существуют такие положительные целые числа \(p\) и \(M\), что \(b_{m+p}=b_m\) для всех \(m\ge M\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Для положительного целого \(x\) обозначим \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] Заданное правило означает, что \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] Следовательно, ни одна упорядоченная пара \((x,y)\) не встречается дважды в качестве \((a_n,a_{n+1})\) при \(n\ge N\): при последовательных появлениях \(x\) число его вхождений строго возрастает.
Положим \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] Назовём член малым, если он не превосходит \(B\), и большим в противном случае.
Сначала докажем, что два больших члена не могут идти подряд. Предположим противное, и пусть \(a_t,a_{t+1}\) — первая такая пара. Каждое вхождение значения \(a_t\) среди \(a_1,\ldots,a_t\) находится после позиции \(N\), и ему предшествует малый член. Эти предшествующие члены должны быть различны, поскольку упорядоченная пара не может повторяться. Таким образом, \(a_t\) встретилось не более \(B\) раз, откуда \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B, \] что даёт противоречие.
То же наблюдение показывает, что каждое большое значение встречается во всей последовательности не более \(B\) раз: каждому его вхождению предшествует одно из \(B\) малых значений, а каждая такая упорядоченная пара встречается не более одного раза.
Кроме того, пар подряд идущих малых членов лишь конечное число, поскольку существует всего \(B^2\) возможных упорядоченных пар малых значений. Значит, начиная с некоторого места малые и большие члены последовательности чередуются.
Пусть \(S\) — множество малых значений, встречающихся бесконечно много раз, и положим \(k=|S|\). Из чередования следует, что \(k\ge1\). Выберем \(L\ge N\) так, чтобы каждый малый член с номером не меньше \(L\) принадлежал \(S\), и положим \[ H=\max(B,L). \] Каждый из членов \(a_1,\ldots,a_L\) не превосходит \(H\): первые \(N\) членов не превосходят \(B\), а при \(n>N\) имеем \(a_n\le n-1\).
Рассмотрим произвольное целое \(y>H\). Каждое вхождение \(y\) находится после позиции \(L\), и ему предшествует элемент \(S\). Обратно, для каждого \(x\in S\) его \(y\)-е вхождение находится после позиции \(L\), а следующий за ним член равен \(y\). Таким образом, \(y\) встречается ровно \(k\) раз, по одному разу после каждого элемента \(S\).
Члены, следующие за этими \(k\) вхождениями \(y\) в порядке их появления, равны \(1,2,\ldots,k\). Поскольку значений \(y>H\) бесконечно много, каждое из чисел \(1,2,\ldots,k\) встречается бесконечно много раз. Так как в \(S\) ровно \(k\) элементов, получаем \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
Каждое большое значение встречается лишь конечное число раз, поэтому большие члены стремятся к бесконечности. Следовательно, можно выбрать хвост последовательности вида \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] где \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] и каждое из значений \(1,\ldots,k\) встречается среди \(b_t\) бесконечно много раз.
Докажем, что \((b_t)\) в конечном итоге периодична. При \(k=1\) это очевидно, поэтому будем считать, что \(k\ge2\).
Для \(1\le i\le k\) пусть \(q_i(t)\) — число вхождений \(i\) строго до указанного члена \(b_t\). Обозначим через \(e_i\) \(i\)-й единичный вектор. Тогда \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] Каждое вхождение \(h_t\) следует за \(h_t\)-м вхождением ровно одного элемента множества \(\{1,\ldots,k\}\). К моменту появления указанного \(h_t\) это произошло ровно для тех \(i\), для которых \(q_i(t+1)\ge h_t\). Поэтому \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
Теперь установим, что разности между координатами \(q(t)\) остаются ограниченными.
Пусть \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] — координаты \(q(t)\), упорядоченные по убыванию. Когда целочисленная координата увеличивается с \(v\) до \(v+1\), в упорядоченном векторе увеличивается на \(1\) ровно одна координата с номером \[ 1+\#\{\text{координаты, до увеличения превосходившие }v\}. \] Этот номер равен числу координат, не меньших \(v+1\) после увеличения. По (2) он равен \(b_{t+1}\). Следовательно, \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] Вместе с (1) это даёт инвариант \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] где \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) — фиксированный вектор.
Выберем положительное целое число \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] Из равенства (3) следует \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{для всех }i,t. \tag{4} \] Определим \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] Утверждаем, что \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
Предположим, что (5) нарушается для некоторого \(r\), и пусть \(t\) — первый момент, когда именно эта разность превосходит \(G\). На этом шаге разность должна была увеличиться, поэтому увеличившейся координатой упорядоченного вектора была \(s_r\). Значит, \(b_t=r\). Кроме того, для любых \(i\le r<j\) из (4) получаем \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] Иными словами, все координаты с номерами \(1,\ldots,r\) строго больше всех остальных координат.
Сейчас \(b_t=r\), поэтому на следующем шаге увеличивается одна из первых \(r\) координат. Каждая из них по-прежнему строго больше всех остальных координат. Тогда формула (2) даёт \(b_{t+1}\le r\). Повторяя это рассуждение, получаем \[ b_u\le r\qquad\text{для всех }u\ge t. \] Это противоречит тому, что каждое из значений \(1,\ldots,k\) встречается среди \(b_u\) бесконечно много раз. Значит, (5) выполнено.
Отсюда следует, что \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
Наконец, положим \(m(t)=\min_i q_i(t)\) и рассмотрим состояние \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] По (7) это состояние может принимать лишь конечное число значений. Равенства (1) и (2) однозначно определяют следующее состояние: прибавление одного и того же целого числа ко всем координатам \(q(t)\) не меняет ни сравнений в (2), ни нормированных координат на следующем шаге.
Таким образом, мы имеем детерминированную последовательность состояний в конечном множестве. Некоторое состояние повторяется, и с этого момента состояния, а значит, и значения \(b_t\), периодически повторяются.
Члены \(b_t\) занимают в исходной последовательности позиции через одну. Следовательно, одна из её подпоследовательностей с нечётными и чётными номерами в конечном итоге периодична, что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2024 · المسألة 3
لتكن \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) متتابعة لا نهائية من الأعداد الصحيحة الموجبة، وليكن \(N\) عدد صحيح موجب. لنفترض أنه، لكل \(n>N\)، يكون \(a_n\) مساوياً لعدد المرات التي يظهر فيها \(a_{n-1}\) في القائمة \(a_1,a_2,\ldots,a_{n-1}\).
أثبت أن على الأقل واحدة من المتتابعتين \(a_1,a_3,a_5,\ldots\) و \(a_2,a_4,a_6,\ldots\) تكون دورية في النهاية.
(المتتابعة اللانهائية \(b_1,b_2,b_3,\ldots\) تكون دورية في النهاية إذا وجد عددان صحيحان موجبان \(p\) و \(M\) بحيث \(b_{m+p}=b_m\) لكل \(m\ge M\).)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لكل عدد صحيح موجب \(x\)، نكتب \[ C_x(n)=\#\{j\le n:a_j=x\}. \] تنص القاعدة المعطاة على أن \[ a_{n+1}=C_{a_n}(n)\qquad(n\ge N). \] وبالتالي، لا يظهر أي زوج مرتب \((x,y)\) مرتين على صورة \((a_n,a_{n+1})\) مع \(n\ge N\): فعند الظهورات المتتالية لـ \(x\)، يتزايد عدد مرات ظهوره تزايداً صارماً.
نضع \[ B=\max(a_1,\ldots,a_N). \] نسمي الحد صغيراً إذا كان لا يتجاوز \(B\)، وكبيراً خلاف ذلك.
نثبت أولاً أنه لا يمكن أن يكون حدان كبيران متتاليين. لنفترض العكس، وليكن \(a_t,a_{t+1}\) أول زوج من هذا القبيل. كل ظهور للقيمة \(a_t\) بين \(a_1,\ldots,a_t\) يقع بعد الموضع \(N\) ويسبقه حد صغير. لا بد أن تكون هذه الحدود السابقة مختلفة، لأن الزوج المرتب لا يمكن أن يتكرر. إذن ظهرت القيمة \(a_t\) على الأكثر \(B\) مرة، مما يعطي \[ a_{t+1}=C_{a_t}(t)\le B, \] وهذا تناقض.
وتبين الملاحظة نفسها أن كل قيمة كبيرة تظهر على الأكثر \(B\) مرة في المتتابعة كلها: فكل ظهور لها يسبقه أحد القيم الصغيرة البالغ عددها \(B\)، وكل زوج مرتب من هذا القبيل يظهر مرة واحدة على الأكثر.
كذلك لا يوجد إلا عدد منتهٍ من أزواج الحدود الصغيرة المتتالية، لأن عدد الأزواج المرتبة الممكنة للقيم الصغيرة هو \(B^2\) فقط. ومن ثم، ابتداءً من موضع ما، تتناوب الحدود الصغيرة والكبيرة في المتتابعة.
لتكن \(S\) مجموعة القيم الصغيرة التي تظهر عدداً لا نهائياً من المرات، ولنضع \(k=|S|\). يبين التناوب أن \(k\ge1\). نختار \(L\ge N\) بحيث ينتمي كل حد صغير في موضع لا يقل عن \(L\) إلى \(S\)، ونضع \[ H=\max(B,L). \] كل حد من \(a_1,\ldots,a_L\) لا يتجاوز \(H\): فالحدود \(N\) الأولى لا تتجاوز \(B\)، ولدينا \(a_n\le n-1\) عندما \(n>N\).
لنأخذ أي عدد صحيح \(y>H\). كل ظهور لـ \(y\) يقع بعد الموضع \(L\) ويسبقه عنصر من \(S\). وبالعكس، لكل \(x\in S\)، يقع الظهور رقم \(y\) للقيمة \(x\) بعد الموضع \(L\)، ويكون الحد الذي يليه هو \(y\). إذن يظهر \(y\) بالضبط \(k\) مرة، مرة واحدة بعد كل عنصر من \(S\).
الحدود التي تلي هذه الظهورات الـ \(k\) للقيمة \(y\)، بحسب ترتيبها الزمني، هي \(1,2,\ldots,k\). وبما أن هناك عدداً لا نهائياً من الاختيارات لـ \(y>H\)، فإن كلاً من \(1,2,\ldots,k\) يظهر عدداً لا نهائياً من المرات. ولأن \(S\) تحتوي على \(k\) عناصر بالضبط، نحصل على \[ S=\{1,2,\ldots,k\}. \]
كل قيمة كبيرة تظهر عدداً منتهياً من المرات فقط، ولذلك تؤول الحدود الكبيرة إلى ما لا نهاية. ومن ثم يمكننا اختيار جزء نهائي من المتتابعة على الصورة \[ b_0,h_0,b_1,h_1,b_2,h_2,\ldots, \] حيث \[ b_t\in\{1,\ldots,k\},\qquad h_t>H, \] وتظهر كل قيمة من \(1,\ldots,k\) عدداً لا نهائياً من المرات بين الحدود \(b_t\).
سنثبت أن \((b_t)\) دورية في النهاية. إذا كان \(k=1\)، فهذا مباشر، لذا نفترض أن \(k\ge2\).
لكل \(1\le i\le k\)، ليكن \(q_i(t)\) عدد مرات ظهور \(i\) قبل الحد المعروض \(b_t\) تماماً. وليكن \(e_i\) متجه الوحدة رقم \(i\). عندئذ \[ q(t+1)=q(t)+e_{b_t}, \qquad h_t=q_{b_t}(t+1). \tag{1} \] كل ظهور لـ \(h_t\) يلي الظهور رقم \(h_t\) لعنصر واحد بالضبط من \(\{1,\ldots,k\}\). وعند ظهور الحد المعروض \(h_t\)، يكون ذلك قد حدث بالضبط للقيم \(i\) التي تحقق \(q_i(t+1)\ge h_t\). لذلك \[ b_{t+1} =\#\{i:q_i(t+1)\ge q_{b_t}(t+1)\}. \tag{2} \]
نثبت الآن أن الفروق بين إحداثيات \(q(t)\) تبقى محدودة.
لتكن \[ s_1(t)\ge s_2(t)\ge\cdots\ge s_k(t) \] إحداثيات \(q(t)\) مرتبة ترتيباً تنازلياً. عندما يزداد إحداثي صحيح من \(v\) إلى \(v+1\)، يزداد المتجه المرتب بمقدار \(1\) في الموضع \[ 1+\#\{\text{الإحداثيات التي كانت أكبر من }v\}. \] فقط. هذا الموضع هو عدد الإحداثيات التي لا تقل عن \(v+1\) بعد الزيادة. وبحسب (2)، فهو \(b_{t+1}\). ومن ثم \[ s(t+1)=s(t)+e_{b_{t+1}}. \] وبالجمع مع (1)، نحصل على العلاقة الثابتة \[ q(t)-s(t)+e_{b_t}=d, \tag{3} \] حيث \(d=q(0)-s(0)+e_{b_0}\) ثابت.
نختار العدد الصحيح الموجب \[ D=1+\max_{1\le i\le k}|d_i|. \] تستلزم المعادلة (3) أن \[ |q_i(t)-s_i(t)|\le D \qquad\text{لكل }i,t. \tag{4} \] نعرّف \[ G=\max\bigl(2D,\ s_1(0)-s_2(0),\ldots,s_{k-1}(0)-s_k(0)\bigr). \] ندعي أن \[ s_r(t)-s_{r+1}(t)\le G \qquad(1\le r<k,\ t\ge0). \tag{5} \]
لنفترض أن (5) لا تتحقق لبعض \(r\)، وليكن \(t\) أول وقت يتجاوز فيه هذا الفرق بعينه \(G\). لا بد أن الفرق قد ازداد في هذه الخطوة، ولذلك كان الإحداثي المرتب الذي ازداد هو \(s_r\). إذن \(b_t=r\). علاوة على ذلك، لكل \(i\le r<j\)، تعطي (4) \[ q_i(t)-q_j(t) \ge s_r(t)-s_{r+1}(t)-2D >0. \tag{6} \] بعبارة أخرى، جميع الإحداثيات ذات الأرقام \(1,\ldots,r\) أكبر تماماً من جميع الإحداثيات الباقية.
الآن \(b_t=r\)، ولذلك تزيد الخطوة التالية أحد الإحداثيات الـ \(r\) الأولى. ويظل كل منها أكبر تماماً من الإحداثيات الباقية. وتعطي الصيغة (2) عندئذ \(b_{t+1}\le r\). وبتكرار هذه الحجة نجد أن \[ b_u\le r\qquad\text{لكل }u\ge t. \] وهذا يناقض كون كل قيمة من \(1,\ldots,k\) تظهر عدداً لا نهائياً من المرات بين الحدود \(b_u\). إذن تتحقق (5).
يترتب على ذلك أن \[ \max_i q_i(t)-\min_i q_i(t) =s_1(t)-s_k(t) \le(k-1)G. \tag{7} \]
أخيراً، نضع \(m(t)=\min_i q_i(t)\)، وننظر في الحالة \[ \bigl(b_t,\ q_1(t)-m(t),\ldots,q_k(t)-m(t)\bigr). \] بحسب (7)، ليس لهذه الحالة إلا عدد منتهٍ من القيم الممكنة. وتحدد المعادلتان (1) و (2) قيمتها التالية تحديداً وحيداً: فإضافة العدد الصحيح نفسه إلى جميع إحداثيات \(q(t)\) لا تغير المقارنات في (2) ولا الإحداثيات بعد طرح أصغرها في الخطوة التالية.
إذن لدينا متتابعة حتمية من الحالات في مجموعة منتهية. تتكرر إحدى الحالات، وابتداءً من تلك النقطة تكون الحالات — وبالتالي القيم \(b_t\) — دورية.
تشغل الحدود \(b_t\) مواضع متناوبة في المتتابعة الأصلية. ومن ثم فإن إحدى المتتابعتين الجزئيتين ذاتي الرتب الفردية والزوجية تكون دورية في النهاية، كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.