IMO 2025 · Problem 3
Let \(\mathbb{N}\) denote the set of positive integers. A function \(f:\mathbb{N}\to\mathbb{N}\) is said to be bonza if \[ f(a)\text{ divides }b^a-f(b)^{f(a)} \] for all positive integers \(a\) and \(b\).
Determine the smallest real constant \(c\) such that \(f(n)\leqslant cn\) for all bonza functions \(f\) and all positive integers \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{c=4}. \]
Solution
Let \(f\) be bonza. Taking \(b=a\) gives \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
We first prove that either \(f(n)=n\) for every \(n\), or every value of \(f\) is a power of \(2\), including \(2^0=1\).
Let \(\mathcal P\) be the set of primes dividing at least one value of \(f\). For \(p\in\mathcal P\), choose \(a\) such that \(p\mid f(a)\). Substituting \(b=p\) into the defining condition and reducing modulo \(p\) gives \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] so \(p\mid f(p)\). By (1), \(f(p)\mid p^p\), and consequently \[ f(p)=p^k \] for some positive integer \(k\).
Now substitute \(a=p\) into the defining condition. Reducing modulo \(p\) and applying Fermat’s little theorem gives, for every positive integer \(b\), \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
Suppose \(f\) is not the identity. Choose \(t\) with \(f(t)\ne t\). By (2), every prime in \(\mathcal P\) divides the nonzero integer \(f(t)-t\), so \(\mathcal P\) is finite.
If \(\mathcal P\) is empty, all values of \(f\) are \(1\), as desired. Otherwise, put \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] Here \(D\ge2\), so \(D-1\) is positive. Every prime divisor of \(f(D-1)\) would divide \(D\), by the definition of \(\mathcal P\), and would also divide \(D-1\), by (1). This is impossible, so \[ f(D-1)=1. \] Applying (2) with \(b=D-1\), we obtain \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] Thus \(D\mid2\), whence \(D=2\). Therefore \(\mathcal P=\{2\}\), proving the claimed restriction.
We now establish the upper bound. If \(f\) is the identity, it is immediate. Otherwise, every value of \(f\) is a power of \(2\). For odd \(n\), equation (1) forces \(f(n)=1\). In particular, \(f(3)=1\). Taking \(b=3\) in the defining condition yields \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
For even \(n\), write \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ odd}. \] We claim that the largest power of \(2\) dividing \(3^n-1\) is \(2^{r+2}\). Indeed, \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] and the second factor is odd. Also, \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] Each factor in the product is congruent to \(2\) modulo \(8\), since \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) for \(j\ge1\). Thus it contributes exactly one factor of \(2\). This also covers \(r=1\), when the product is empty.
Since \(f(n)\) is a power of \(2\), (3) now implies \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] Together with the odd case, this proves the required bound for every bonza function.
To show that the constant cannot be smaller, define \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ is even and }n\ne4,\\ 1,&n\text{ is odd}. \end{cases} \] We verify the bonza condition for all positive integers \(a,b\).
- If \(a\) is odd, then \(g(a)=1\), so the condition is automatic.
- If \(a\) is even and \(a\ne4\), then \(g(a)=2\). Since \(g(b)\) and \(b\) have the same parity, \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- If \(a=4\), then \(g(a)=16\). For even \(b\), both \(b^4\) and \(g(b)^{16}\) are divisible by \(16\). For odd \(b\), we have \(g(b)=1\) and \(b^4\equiv1\pmod{16}\): indeed, \(b^2=8s+1\) for some integer \(s\), whose square is congruent to \(1\) modulo \(16\).
Thus \(g\) is bonza. Since \[ g(4)=16=4\cdot4, \] every admissible constant satisfies \(c\ge4\). Combined with the upper bound, this proves \(\boxed{c=4}\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 3
Die Menge der positiven ganzen Zahlen sei mit \(\mathbb{N}\) bezeichnet. Eine Funktion \(f:\mathbb{N}\to\mathbb{N}\) heiße bonzig, falls für alle positiven ganzen Zahlen \(a\) und \(b\) \[ f(a)\quad\text{ein Teiler von}\quad b^a-f(b)^{f(a)} \] ist.
Man bestimme die kleinste reelle Konstante \(c\), für die \(f(n)\leq cn\) für alle bonzigen Funktionen \(f\) und alle positiven ganzen Zahlen \(n\) gilt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{c=4}. \]
Lösung
Sei \(f\) bonzig. Setzen wir \(b=a\), so ergibt sich \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
Wir beweisen zunächst, dass entweder \(f(n)=n\) für jedes \(n\) gilt oder jeder Wert von \(f\) eine Potenz von \(2\) ist, einschließlich \(2^0=1\).
Sei \(\mathcal P\) die Menge der Primzahlen, die mindestens einen Wert von \(f\) teilen. Für \(p\in\mathcal P\) wählen wir \(a\) so, dass \(p\mid f(a)\). Setzen wir \(b=p\) in die definierende Bedingung ein und reduzieren modulo \(p\), so ergibt sich \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] also \(p\mid f(p)\). Nach (1) gilt \(f(p)\mid p^p\), und folglich \[ f(p)=p^k \] für eine positive ganze Zahl \(k\).
Nun setzen wir \(a=p\) in die definierende Bedingung ein. Durch Reduktion modulo \(p\) und Anwendung des kleinen Satzes von Fermat erhalten wir für jede positive ganze Zahl \(b\) \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
Angenommen, \(f\) ist nicht die Identität. Wir wählen \(t\) mit \(f(t)\ne t\). Nach (2) teilt jede Primzahl in \(\mathcal P\) die von null verschiedene ganze Zahl \(f(t)-t\), also ist \(\mathcal P\) endlich.
Ist \(\mathcal P\) leer, so sind alle Werte von \(f\) gleich \(1\), wie gewünscht. Andernfalls setzen wir \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] Hier gilt \(D\ge2\), also ist \(D-1\) positiv. Jeder Primteiler von \(f(D-1)\) müsste nach der Definition von \(\mathcal P\) die Zahl \(D\) und nach (1) auch \(D-1\) teilen. Dies ist unmöglich, also gilt \[ f(D-1)=1. \] Wenden wir (2) mit \(b=D-1\) an, so erhalten wir \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] Somit gilt \(D\mid2\), also \(D=2\). Daher ist \(\mathcal P=\{2\}\), womit die behauptete Einschränkung bewiesen ist.
Nun beweisen wir die obere Schranke. Ist \(f\) die Identität, so ist sie unmittelbar klar. Andernfalls ist jeder Wert von \(f\) eine Potenz von \(2\). Für ungerades \(n\) erzwingt Gleichung (1), dass \(f(n)=1\). Insbesondere ist \(f(3)=1\). Setzen wir \(b=3\) in die definierende Bedingung ein, so erhalten wir \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
Für gerades \(n\) schreiben wir \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ ungerade}. \] Wir behaupten, dass die größte Potenz von \(2\), die \(3^n-1\) teilt, gleich \(2^{r+2}\) ist. Tatsächlich gilt \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] und der zweite Faktor ist ungerade. Außerdem gilt \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] Jeder Faktor im Produkt ist kongruent zu \(2\) modulo \(8\), da \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) für \(j\ge1\). Er trägt also genau einen Faktor \(2\) bei. Dies umfasst auch \(r=1\), wenn das Produkt leer ist.
Da \(f(n)\) eine Potenz von \(2\) ist, folgt nun aus (3) \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] Zusammen mit dem ungeraden Fall beweist dies die gewünschte Schranke für jede bonzige Funktion.
Um zu zeigen, dass die Konstante nicht kleiner sein kann, definieren wir \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ ist gerade und }n\ne4,\\ 1,&n\text{ ist ungerade}. \end{cases} \] Wir überprüfen die Bedingung für bonzige Funktionen für alle positiven ganzen Zahlen \(a,b\).
- Ist \(a\) ungerade, so ist \(g(a)=1\), und die Bedingung ist automatisch erfüllt.
- Ist \(a\) gerade und \(a\ne4\), so ist \(g(a)=2\). Da \(g(b)\) und \(b\) dieselbe Parität haben, gilt \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- Ist \(a=4\), so ist \(g(a)=16\). Für gerades \(b\) sind sowohl \(b^4\) als auch \(g(b)^{16}\) durch \(16\) teilbar. Für ungerades \(b\) gilt \(g(b)=1\) und \(b^4\equiv1\pmod{16}\): Tatsächlich ist \(b^2=8s+1\) für eine ganze Zahl \(s\), und das Quadrat davon ist kongruent zu \(1\) modulo \(16\).
Somit ist \(g\) bonzig. Wegen \[ g(4)=16=4\cdot4, \] erfüllt jede zulässige Konstante \(c\ge4\). Zusammen mit der oberen Schranke beweist dies \(\boxed{c=4}\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 3
\(\mathbb{Z}^+\) pozitif tam sayıların kümesi olsun. Bir \(f:\mathbb{Z}^+\to\mathbb{Z}^+\) fonksiyonu, tüm \(a\) ve \(b\) pozitif tam sayıları için \[ f(a)\text{ böler }b^a-f(b)^{f(a)} \] koşulunu sağlıyorsa bu fonksiyona güzel diyelim.
Tüm güzel \(f\) fonksiyonları ve tüm \(n\) pozitif tam sayıları için \(f(n)\leq cn\) olmasını sağlayan en küçük \(c\) gerçel sabit sayısını bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{c=4}. \]
Çözüm
\(f\) güzel bir fonksiyon olsun. \(b=a\) alındığında \[ f(a)\mid a^a \tag{1} \] elde edilir.
Önce ya her \(n\) için \(f(n)=n\) olduğunu ya da \(f\)'nin her değerinin \(2\)'nin bir kuvveti olduğunu kanıtlayalım; burada \(2^0=1\) de dahildir.
\(\mathcal P\), \(f\)'nin en az bir değerini bölen asal sayıların kümesi olsun. \(p\in\mathcal P\) için \(p\mid f(a)\) olacak şekilde bir \(a\) seçelim. Tanımlayıcı koşulda \(b=p\) koyup mod \(p\)'ye geçince \[ p\mid f(p)^{f(a)} \] elde edilir; dolayısıyla \(p\mid f(p)\)'dir. (1) gereği \(f(p)\mid p^p\)'dir ve sonuç olarak bir \(k\) pozitif tam sayısı için \[ f(p)=p^k \] olur.
Şimdi tanımlayıcı koşulda \(a=p\) koyalım. Mod \(p\)'ye geçip Fermat'nın küçük teoremini uyguladığımızda her \(b\) pozitif tam sayısı için \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p \tag{2} \] elde edilir.
\(f\)'nin birim fonksiyon olmadığını varsayalım. \(f(t)\ne t\) olacak şekilde bir \(t\) seçelim. (2) gereği \(\mathcal P\)'deki her asal sayı, sıfırdan farklı \(f(t)-t\) tam sayısını böler; dolayısıyla \(\mathcal P\) sonludur.
\(\mathcal P\) boş ise \(f\)'nin bütün değerleri \(1\)'dir ve istenen sonuç elde edilir. Aksi hâlde \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p \] olsun. Burada \(D\ge2\) olduğundan \(D-1\) pozitiftir. \(f(D-1)\)'in her asal böleni, \(\mathcal P\)'nin tanımı gereği \(D\)'yi, (1) gereği de \(D-1\)'i bölerdi. Bu imkânsız olduğundan \[ f(D-1)=1 \] olur. (2)'yi \(b=D-1\) için uyguladığımızda \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D \] elde edilir. Böylece \(D\mid2\) ve buradan \(D=2\) olur. Dolayısıyla \(\mathcal P=\{2\}\)'dir; bu da ileri sürülen kısıtlamayı kanıtlar.
Şimdi üst sınırı kanıtlayalım. \(f\) birim fonksiyon ise sonuç açıktır. Aksi hâlde \(f\)'nin her değeri \(2\)'nin bir kuvvetidir. Tek \(n\) için (1) eşitliği \(f(n)=1\) olmasını gerektirir. Özellikle \(f(3)=1\)'dir. Tanımlayıcı koşulda \(b=3\) alınırsa \[ f(n)\mid 3^n-1 \tag{3} \] elde edilir.
Çift \(n\) için \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ tek} \] yazalım. \(3^n-1\)'i bölen en büyük \(2\) kuvvetinin \(2^{r+2}\) olduğunu iddia ediyoruz. Gerçekten de \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right) \] ve ikinci çarpan tektir. Ayrıca, \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] \(j\ge1\) için \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) olduğundan çarpımdaki her çarpan mod \(8\)'de \(2\)'ye denktir. Dolayısıyla her biri tam olarak bir \(2\) çarpanı katkısı yapar. Bu, çarpımın boş olduğu \(r=1\) durumunu da kapsar.
\(f(n)\), \(2\)'nin bir kuvveti olduğundan (3) şimdi \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n \] sonucunu verir. Tek sayı durumu ile birlikte bu, her güzel fonksiyon için istenen sınırı kanıtlar.
Sabitin daha küçük olamayacağını göstermek için \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ çift ve }n\ne4,\\ 1,&n\text{ tek} \end{cases} \] olarak tanımlayalım. Tüm \(a,b\) pozitif tam sayıları için güzellik koşulunu doğrulayalım.
- \(a\) tek ise \(g(a)=1\)'dir; dolayısıyla koşul kendiliğinden sağlanır.
- \(a\) çift ve \(a\ne4\) ise \(g(a)=2\)'dir. \(g(b)\) ve \(b\)'nin tek-çiftliği aynı olduğundan \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- \(a=4\) ise \(g(a)=16\)'dır. Çift \(b\) için hem \(b^4\) hem de \(g(b)^{16}\), \(16\)'ya bölünür. Tek \(b\) için \(g(b)=1\) ve \(b^4\equiv1\pmod{16}\)'dır: gerçekten de bir \(s\) tam sayısı için \(b^2=8s+1\)'dir ve bunun karesi mod \(16\)'da \(1\)'e denktir.
Böylece \(g\) güzel bir fonksiyondur. \[ g(4)=16=4\cdot4 \] olduğundan koşulu sağlayan her sabit \(c\ge4\) eşitsizliğini sağlar. Üst sınırla birlikte bu, \(\boxed{c=4}\) olduğunu kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 3
Sea \(\mathbb{N}\) el conjunto de los enteros positivos. Una función \(f:\mathbb{N}\to\mathbb{N}\) se llama genial si \[ f(a)\text{ divide a }b^a-f(b)^{f(a)} \] para todos los enteros positivos \(a\) y \(b\).
Determine la menor constante real \(c\) tal que \(f(n)\leq cn\), para todas las funciones geniales \(f\) y todos los enteros positivos \(n\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{c=4}. \]
Solución
Sea \(f\) una función genial. Tomando \(b=a\) se obtiene \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
Primero demostramos que o bien \(f(n)=n\) para todo \(n\), o bien todos los valores de \(f\) son potencias de \(2\), incluida \(2^0=1\).
Sea \(\mathcal P\) el conjunto de los primos que dividen al menos un valor de \(f\). Para \(p\in\mathcal P\), elijamos \(a\) tal que \(p\mid f(a)\). Sustituyendo \(b=p\) en la condición de la definición y reduciendo módulo \(p\), se obtiene \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] por lo que \(p\mid f(p)\). Por (1), \(f(p)\mid p^p\), y, por consiguiente, \[ f(p)=p^k \] para algún entero positivo \(k\).
Ahora sustituyamos \(a=p\) en la condición de la definición. Reduciendo módulo \(p\) y aplicando el pequeño teorema de Fermat se obtiene, para todo entero positivo \(b\), \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
Supongamos que \(f\) no es la identidad. Elijamos \(t\) con \(f(t)\ne t\). Por (2), todo primo de \(\mathcal P\) divide al entero no nulo \(f(t)-t\), de modo que \(\mathcal P\) es finito.
Si \(\mathcal P\) es vacío, todos los valores de \(f\) son \(1\), como se quería. En caso contrario, sea \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] Aquí \(D\ge2\), por lo que \(D-1\) es positivo. Todo divisor primo de \(f(D-1)\) dividiría a \(D\), por la definición de \(\mathcal P\), y también dividiría a \(D-1\), por (1). Esto es imposible, así que \[ f(D-1)=1. \] Aplicando (2) con \(b=D-1\), obtenemos \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] Así, \(D\mid2\), de donde \(D=2\). Por tanto, \(\mathcal P=\{2\}\), lo que demuestra la restricción afirmada.
Establecemos ahora la cota superior. Si \(f\) es la identidad, es inmediata. En caso contrario, todos los valores de \(f\) son potencias de \(2\). Para \(n\) impar, la ecuación (1) obliga a que \(f(n)=1\). En particular, \(f(3)=1\). Tomando \(b=3\) en la condición de la definición se obtiene \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
Para \(n\) par, escribamos \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ impar}. \] Afirmamos que la mayor potencia de \(2\) que divide a \(3^n-1\) es \(2^{r+2}\). En efecto, \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] y el segundo factor es impar. Además, \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] Cada factor del producto es congruente con \(2\) módulo \(8\), ya que \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) para \(j\ge1\). Por tanto, aporta exactamente un factor de \(2\). Esto también abarca \(r=1\), cuando el producto es vacío.
Como \(f(n)\) es una potencia de \(2\), (3) implica ahora \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] Junto con el caso impar, esto demuestra la cota requerida para toda función genial.
Para mostrar que la constante no puede ser menor, definamos \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ es par y }n\ne4,\\ 1,&n\text{ es impar}. \end{cases} \] Verificamos la condición de función genial para todos los enteros positivos \(a,b\).
- Si \(a\) es impar, entonces \(g(a)=1\), de modo que la condición se cumple automáticamente.
- Si \(a\) es par y \(a\ne4\), entonces \(g(a)=2\). Como \(g(b)\) y \(b\) tienen la misma paridad, \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- Si \(a=4\), entonces \(g(a)=16\). Para \(b\) par, tanto \(b^4\) como \(g(b)^{16}\) son divisibles por \(16\). Para \(b\) impar, tenemos \(g(b)=1\) y \(b^4\equiv1\pmod{16}\): en efecto, \(b^2=8s+1\) para algún entero \(s\), cuyo cuadrado es congruente con \(1\) módulo \(16\).
Así, \(g\) es genial. Como \[ g(4)=16=4\cdot4, \] toda constante admisible satisface \(c\ge4\). Junto con la cota superior, esto demuestra que \(\boxed{c=4}\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 3
记 \(\mathbb{N}^*\) 是所有正整数构成的集合。一个函数 \(f:\mathbb{N}^*\to\mathbb{N}^*\) 称为超棒的,如果对任意正整数 \(a,b\),均有 \[ f(a)\text{ 整除 }b^a-f(b)^{f(a)}. \] 求最小的实数 \(c\),使得 \(f(n)\leq cn\) 对所有超棒的函数 \(f\) 和所有正整数 \(n\) 成立。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{c=4}. \]
解答
设 \(f\) 为超棒的函数。取 \(b=a\),得 \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
我们先证明,要么对每个 \(n\) 都有 \(f(n)=n\),要么 \(f\) 的每个值都是 \(2\) 的幂,其中包括 \(2^0=1\)。
设 \(\mathcal P\) 为至少整除 \(f\) 的一个值的所有素数构成的集合。对 \(p\in\mathcal P\),选取 \(a\) 使得 \(p\mid f(a)\)。将 \(b=p\) 代入定义条件,并模 \(p\) 考察,得 \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] 所以 \(p\mid f(p)\)。由 (1),\(f(p)\mid p^p\),从而 \[ f(p)=p^k \] 其中 \(k\) 为某个正整数。
现在将 \(a=p\) 代入定义条件。模 \(p\) 考察,并应用费马小定理,得对每个正整数 \(b\), \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
假设 \(f\) 不是恒等函数。选取 \(t\) 使得 \(f(t)\ne t\)。由 (2),\(\mathcal P\) 中的每个素数都整除非零整数 \(f(t)-t\),所以 \(\mathcal P\) 是有限集。
如果 \(\mathcal P\) 为空集,则 \(f\) 的所有值都为 \(1\),结论成立。否则,令 \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] 这里 \(D\ge2\),所以 \(D-1\) 为正整数。根据 \(\mathcal P\) 的定义,\(f(D-1)\) 的每个素因子都整除 \(D\),而由 (1),它又整除 \(D-1\)。这是不可能的,所以 \[ f(D-1)=1. \] 在 (2) 中取 \(b=D-1\),得到 \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] 于是 \(D\mid2\),从而 \(D=2\)。因此 \(\mathcal P=\{2\}\),所声称的限制得证。
下面证明上界。如果 \(f\) 是恒等函数,结论显然成立。否则,\(f\) 的每个值都是 \(2\) 的幂。当 \(n\) 为奇数时,由等式 (1) 必有 \(f(n)=1\)。特别地,\(f(3)=1\)。在定义条件中取 \(b=3\),得 \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
当 \(n\) 为偶数时,写成 \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ 为奇数}. \] 我们断言,整除 \(3^n-1\) 的最大的 \(2\) 的幂是 \(2^{r+2}\)。事实上, \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] 且第二个因子为奇数。此外, \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] 乘积中的每个因子模 \(8\) 都与 \(2\) 同余,因为当 \(j\ge1\) 时,\(3^{2^j}\equiv1\pmod8\)。因此,每个因子恰好贡献一个因子 \(2\)。这也包括 \(r=1\) 的情形,此时乘积为空积。
由于 \(f(n)\) 是 \(2\) 的幂,由 (3) 可得 \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] 结合奇数的情形,这就证明了所需的界对每个超棒的函数都成立。
为说明常数不能更小,定义 \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ 为偶数且 }n\ne4,\\ 1,&n\text{ 为奇数}. \end{cases} \] 我们验证对所有正整数 \(a,b\),超棒函数的条件都成立。
- 如果 \(a\) 为奇数,则 \(g(a)=1\),条件自然成立。
- 如果 \(a\) 为偶数且 \(a\ne4\),则 \(g(a)=2\)。由于 \(g(b)\) 与 \(b\) 奇偶性相同, \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- 如果 \(a=4\),则 \(g(a)=16\)。当 \(b\) 为偶数时,\(b^4\) 和 \(g(b)^{16}\) 都被 \(16\) 整除。当 \(b\) 为奇数时,有 \(g(b)=1\) 且 \(b^4\equiv1\pmod{16}\):事实上,对某个整数 \(s\),有 \(b^2=8s+1\),其平方模 \(16\) 与 \(1\) 同余。
因此 \(g\) 是超棒的。由于 \[ g(4)=16=4\cdot4, \] 每个符合要求的常数都满足 \(c\ge4\)。结合上界,得到 \(\boxed{c=4}\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 3
Пусть \(\mathbb N\) обозначает множество положительных целых чисел. Функция \(f:\mathbb N\to\mathbb N\) называется борзой, если \[ f(a)\text{ делит }b^a-f(b)^{f(a)} \] для всех положительных целых чисел \(a\) и \(b\).
Определите наименьшую действительную константу \(c\), такую, что \(f(n)\leq cn\) для всех борзых функций \(f\) и всех положительных целых чисел \(n\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{c=4}. \]
Решение
Пусть \(f\) — борзая функция. Подставляя \(b=a\), получаем \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
Сначала докажем, что либо \(f(n)=n\) для каждого \(n\), либо все значения \(f\) являются степенями числа \(2\), включая \(2^0=1\).
Пусть \(\mathcal P\) — множество простых чисел, делящих хотя бы одно значение \(f\). Для \(p\in\mathcal P\) выберем \(a\), для которого \(p\mid f(a)\). Подставляя \(b=p\) в определяющее условие и переходя к сравнению по модулю \(p\), получаем \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] откуда \(p\mid f(p)\). По (1) имеем \(f(p)\mid p^p\), и, следовательно, \[ f(p)=p^k \] для некоторого положительного целого \(k\).
Теперь подставим \(a=p\) в определяющее условие. Переходя к сравнению по модулю \(p\) и применяя малую теорему Ферма, получаем для каждого положительного целого \(b\) \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
Предположим, что \(f\) не является тождественной функцией. Выберем \(t\), для которого \(f(t)\ne t\). По (2) каждое простое число из \(\mathcal P\) делит ненулевое целое число \(f(t)-t\), поэтому \(\mathcal P\) конечно.
Если \(\mathcal P\) пусто, все значения \(f\) равны \(1\), что и требуется. В противном случае положим \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] Здесь \(D\ge2\), поэтому \(D-1\) положительно. Любой простой делитель числа \(f(D-1)\) делил бы \(D\) по определению \(\mathcal P\), а также делил бы \(D-1\) по (1). Это невозможно, поэтому \[ f(D-1)=1. \] Применяя (2) при \(b=D-1\), получаем \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] Таким образом, \(D\mid2\), откуда \(D=2\). Следовательно, \(\mathcal P=\{2\}\), что доказывает заявленное ограничение.
Теперь установим верхнюю оценку. Если \(f\) — тождественная функция, она очевидна. В противном случае каждое значение \(f\) является степенью числа \(2\). Для нечётного \(n\) из равенства (1) следует \(f(n)=1\). В частности, \(f(3)=1\). Подставляя \(b=3\) в определяющее условие, получаем \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
Для чётного \(n\) запишем \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ нечётно}. \] Утверждается, что наибольшая степень числа \(2\), делящая \(3^n-1\), равна \(2^{r+2}\). Действительно, \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] причём второй множитель нечётен. Кроме того, \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] Каждый множитель в произведении сравним с \(2\) по модулю \(8\), поскольку \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) при \(j\ge1\). Поэтому в его разложении содержится ровно один множитель \(2\). Это рассуждение охватывает и случай \(r=1\), когда произведение пусто.
Поскольку \(f(n)\) — степень числа \(2\), из (3) теперь следует \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] Вместе со случаем нечётного \(n\) это доказывает требуемую оценку для любой борзой функции.
Чтобы показать, что константа не может быть меньше, определим \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ чётно и }n\ne4,\\ 1,&n\text{ нечётно}. \end{cases} \] Проверим условие борзости для всех положительных целых \(a,b\).
- Если \(a\) нечётно, то \(g(a)=1\), поэтому условие выполняется автоматически.
- Если \(a\) чётно и \(a\ne4\), то \(g(a)=2\). Поскольку \(g(b)\) и \(b\) имеют одинаковую чётность, \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- Если \(a=4\), то \(g(a)=16\). Для чётного \(b\) оба числа \(b^4\) и \(g(b)^{16}\) делятся на \(16\). Для нечётного \(b\) имеем \(g(b)=1\) и \(b^4\equiv1\pmod{16}\): действительно, \(b^2=8s+1\) для некоторого целого \(s\), а квадрат этого числа сравним с \(1\) по модулю \(16\).
Таким образом, \(g\) — борзая функция. Поскольку \[ g(4)=16=4\cdot4, \] любая подходящая константа удовлетворяет \(c\ge4\). Вместе с верхней оценкой это доказывает, что \(\boxed{c=4}\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 3
لتكن \(\mathbb{N}\) هي مجموعة الأعداد الصحيحة الموجبة. نُسمي دالة \(f:\mathbb{N}\to\mathbb{N}\) أنها بنزا (bonza) إذا تحقق الشرط التالي: \[ f(a)\mid(b^a-f(b)^{f(a)}) \] لكل عددين صحيحين موجبين \(a\) و \(b\).
حدد أصغر ثابت حقيقي \(c\) بحيث \(f(n)\leq cn\) لجميع الدوال بنزا (bonza) \(f\) ولكل عدد صحيح موجب \(n\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{c=4}. \]
الحل
لتكن \(f\) دالة بنزا. بوضع \(b=a\) نحصل على \[ f(a)\mid a^a. \tag{1} \]
نثبت أولاً أنه إما أن \(f(n)=n\) لكل \(n\)، أو أن كل قيمة للدالة \(f\) هي قوة للعدد \(2\)، بما في ذلك \(2^0=1\).
لتكن \(\mathcal P\) مجموعة الأعداد الأولية التي تقسم قيمة واحدة على الأقل للدالة \(f\). لكل \(p\in\mathcal P\)، نختار \(a\) بحيث \(p\mid f(a)\). بالتعويض بـ \(b=p\) في الشرط التعريفي وأخذ الطرفين بترديد \(p\) نحصل على \[ p\mid f(p)^{f(a)}, \] ومن ثم \(p\mid f(p)\). وبحسب (1)، فإن \(f(p)\mid p^p\)، وبالتالي \[ f(p)=p^k \] لعدد صحيح موجب \(k\).
نعوّض الآن بـ \(a=p\) في الشرط التعريفي. بأخذ الطرفين بترديد \(p\) وتطبيق مبرهنة فيرما الصغرى نحصل، لكل عدد صحيح موجب \(b\)، على \[ b\equiv b^p\equiv f(b)^{p^k}\equiv f(b)\pmod p. \tag{2} \]
لنفترض أن \(f\) ليست دالة الهوية. نختار \(t\) بحيث \(f(t)\ne t\). بحسب (2)، يقسم كل عدد أولي في \(\mathcal P\) العدد الصحيح غير الصفري \(f(t)-t\)، ولذلك فإن \(\mathcal P\) منتهية.
إذا كانت \(\mathcal P\) خالية، كانت جميع قيم \(f\) تساوي \(1\)، كما نريد. وإلا، نضع \[ D=\prod_{p\in\mathcal P}p. \] هنا \(D\ge2\)، لذا فإن \(D-1\) موجب. أي قاسم أولي لـ \(f(D-1)\) سيقسم \(D\)، بحكم تعريف \(\mathcal P\)، وسيقسم أيضاً \(D-1\)، بحسب (1). وهذا مستحيل، ولذلك \[ f(D-1)=1. \] بتطبيق (2) مع \(b=D-1\)، نحصل على \[ D\mid f(D-1)-(D-1)=2-D. \] إذن \(D\mid2\)، ومنه \(D=2\). وبالتالي \(\mathcal P=\{2\}\)، وهذا يثبت القيد المدّعى.
نثبت الآن الحد العلوي. إذا كانت \(f\) دالة الهوية، فالنتيجة مباشرة. وإلا، فإن كل قيمة للدالة \(f\) هي قوة للعدد \(2\). عندما يكون \(n\) فردياً، تفرض المعادلة (1) أن \(f(n)=1\). وعلى وجه الخصوص، \(f(3)=1\). وبوضع \(b=3\) في الشرط التعريفي نحصل على \[ f(n)\mid 3^n-1. \tag{3} \]
عندما يكون \(n\) زوجياً، نكتب \[ n=2^r u,\qquad r\ge1,\quad u\text{ فردي}. \] ندّعي أن أكبر قوة للعدد \(2\) تقسم \(3^n-1\) هي \(2^{r+2}\). بالفعل، \[ 3^n-1=(3^{2^r}-1) \left(1+3^{2^r}+\cdots+3^{(u-1)2^r}\right), \] والعامل الثاني فردي. ولدينا أيضاً \[ 3^{2^r}-1 =8\prod_{j=1}^{r-1}\left(3^{2^j}+1\right). \] كل عامل في الجداء يوافق \(2\) بترديد \(8\)، لأن \(3^{2^j}\equiv1\pmod8\) عندما \(j\ge1\). لذا فهو يساهم بعامل واحد بالضبط من \(2\). ويشمل هذا أيضاً الحالة \(r=1\)، حيث يكون الجداء خالياً.
بما أن \(f(n)\) قوة للعدد \(2\)، فإن (3) تعطينا الآن \[ f(n)\le 2^{r+2}=4\cdot2^r\le4n. \] وبضم هذا إلى الحالة الفردية، يثبت الحد المطلوب لكل دالة بنزا.
لإثبات أن الثابت لا يمكن أن يكون أصغر، نعرّف \[ g(n)= \begin{cases} 16,&n=4,\\ 2,&n\text{ زوجي و }n\ne4,\\ 1,&n\text{ فردي}. \end{cases} \] نتحقق من شرط بنزا لكل عددين صحيحين موجبين \(a,b\).
- إذا كان \(a\) فردياً، فإن \(g(a)=1\)، ولذلك يتحقق الشرط تلقائياً.
- إذا كان \(a\) زوجياً و \(a\ne4\)، فإن \(g(a)=2\). وبما أن \(g(b)\) و \(b\) لهما الزوجية نفسها، \[ b^a\equiv b\equiv g(b)^2\pmod2. \]
- إذا كان \(a=4\)، فإن \(g(a)=16\). عندما يكون \(b\) زوجياً، يقبل كل من \(b^4\) و \(g(b)^{16}\) القسمة على \(16\). وعندما يكون \(b\) فردياً، لدينا \(g(b)=1\) و \(b^4\equiv1\pmod{16}\): بالفعل، \(b^2=8s+1\) لعدد صحيح \(s\)، ومربع هذا العدد يوافق \(1\) بترديد \(16\).
إذن \(g\) دالة بنزا. وبما أن \[ g(4)=16=4\cdot4, \] فإن كل ثابت مقبول يحقق \(c\ge4\). وبضم ذلك إلى الحد العلوي، يثبت أن \(\boxed{c=4}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.