IMO 2025 · Problem 4
A proper divisor of a positive integer \(N\) is a positive divisor of \(N\) other than \(N\) itself.
The infinite sequence \(a_1,a_2,\ldots\) consists of positive integers, each of which has at least three proper divisors. For each \(n\geq 1\), the integer \(a_{n+1}\) is the sum of the three largest proper divisors of \(a_n\).
Determine all possible values of \(a_1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The possible values are exactly \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \gcd(m,10)=1.} \]
Solution
For a positive integer \(N\) with at least three proper divisors, let \(T(N)\) be their three largest members’ sum. If \(d_1<d_2<d_3\) are the three smallest divisors of \(N\) greater than \(1\), allowing \(N\) itself, then \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
We first prove that every term of the given infinite sequence is divisible by \(6\).
Every term is even. If \(N\) is odd, all its divisors are odd, so \(T(N)\) is odd. Moreover, every proper divisor of \(N\) is at most \(N/3\). Since the three largest proper divisors are distinct, their sum is strictly less than \(N\). Consequently, an odd term would force all subsequent terms to form a strictly decreasing sequence of positive integers, which is impossible.
Every term is divisible by \(3\). We establish the following implication: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
Suppose first that \(4\mid N\). Then \(d_1=2\) and \(d_2=4\).
- If \(d_3\) is even, then \(d_3/2\) is a divisor of \(N\) strictly between \(2\) and \(d_3\). It must therefore equal \(4\), so \(d_3=8\). Hence \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] which is not divisible by \(3\).
- If \(d_3=q\) is odd, then \(4q\mid N\), and \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] Neither factor is divisible by \(3\), so again \(3\nmid T(N)\).
Now suppose that \(4\nmid N\). Let \(p\) be the smallest odd prime divisor of \(N\), which exists because \(N\) has at least three proper divisors. Then \(d_1=2\) and \(d_2=p\). If \(d_3\) were odd, \(N/2\) would be odd while \(N/p\) and \(N/d_3\) would be even, making \(T(N)\) odd. Thus \(d_3\) is even. The smallest even divisor of \(N\) greater than \(2\) is \(2p\), so \(d_3=2p\). Therefore \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] Since \(3\nmid N\), neither \(N/(2p)\) nor \(p+3\) is divisible by \(3\). This proves the implication.
Furthermore, whenever \(N\) is even and not divisible by \(3\), we have \(d_1=2\), \(d_2\geq4\), and \(d_3\geq5\). Thus \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] We already know that every term of our sequence is even. Hence, if some term were not divisible by \(3\), the implication above would ensure that no subsequent term was divisible by \(3\), and the sequence would thereafter strictly decrease. This is impossible. Therefore \[ 6\mid a_n\qquad\text{for every }n\geq1. \]
We now determine the evolution of multiples of \(6\). Their two smallest divisors greater than \(1\) are \(2\) and \(3\), and the third is \(4\), \(5\), or \(6\). Consequently, \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] In the middle case, \(N/30\) is odd, so \(T(N)\) is odd. This case cannot occur in our sequence.
Thus every transition either multiplies the current term by \(13/12\), or leaves it fixed. Each multiplication by \(13/12\) decreases the exponent of \(2\) in the term’s prime factorization by \(2\). Since every term is even, there can be only finitely many such transitions. Once a term is fixed, all subsequent terms equal it.
Let there be exactly \(k\geq0\) transitions before the sequence becomes constant. Its first fixed term has the form \[ a_{k+1}=6u,\qquad \gcd(u,10)=1, \] because it is divisible by \(6\), but by neither \(4\) nor \(5\). Also, \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] so \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] Since \(13^k\) is relatively prime to \(6\cdot12^k\), it divides \(u\). Writing \(u=13^k m\), we obtain \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \gcd(m,10)=1. \] This proves necessity.
Conversely, take any \(k\geq0\) and positive integer \(m\) with \(\gcd(m,10)=1\). Starting from \(a_1=6\cdot12^k m\), the recurrence gives \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] Indeed, for \(j<k\), the displayed term is divisible by \(12\), so the next term is \(13/12\) times it. The resulting term \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] is divisible by neither \(4\) nor \(5\), and hence is fixed by \(T\).
All these terms are multiples of \(6\), so each has the three distinct proper divisors \(1,2,3\). The sequence therefore continues indefinitely and satisfies every requirement. This proves sufficiency.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 4
Ein strenger Teiler einer positiven ganzen Zahl \(N\) ist ein von \(N\) verschiedener positiver Teiler von \(N\).
Die unendliche Folge \(a_1,a_2,\ldots\) besteht aus positiven ganzen Zahlen, von denen jede mindestens drei strenge Teiler besitzt. Für jedes \(n\geq 1\) ist \(a_{n+1}\) die Summe der drei größten strengen Teiler von \(a_n\).
Man bestimme alle möglichen Werte von \(a_1\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die möglichen Werte sind genau \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \operatorname{ggT}(m,10)=1.} \]
Lösung
Für eine positive ganze Zahl \(N\) mit mindestens drei strengen Teilern sei \(T(N)\) die Summe ihrer drei größten strengen Teiler. Sind \(d_1<d_2<d_3\) die drei kleinsten Teiler von \(N\), die größer als \(1\) sind, wobei \(N\) selbst zugelassen ist, so gilt \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
Wir beweisen zunächst, dass jedes Glied der gegebenen unendlichen Folge durch \(6\) teilbar ist.
Jedes Glied ist gerade. Ist \(N\) ungerade, so sind alle seine Teiler ungerade, also ist \(T(N)\) ungerade. Außerdem ist jeder strenge Teiler von \(N\) höchstens \(N/3\). Da die drei größten strengen Teiler verschieden sind, ist ihre Summe echt kleiner als \(N\). Ein ungerades Glied würde daher erzwingen, dass alle nachfolgenden Glieder eine streng fallende Folge positiver ganzer Zahlen bilden, was unmöglich ist.
Jedes Glied ist durch \(3\) teilbar. Wir zeigen die folgende Implikation: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
Nehmen wir zunächst an, dass \(4\mid N\). Dann ist \(d_1=2\) und \(d_2=4\).
- Ist \(d_3\) gerade, so ist \(d_3/2\) ein Teiler von \(N\), der echt zwischen \(2\) und \(d_3\) liegt. Er muss daher gleich \(4\) sein, also ist \(d_3=8\). Somit gilt \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] was nicht durch \(3\) teilbar ist.
- Ist \(d_3=q\) ungerade, so gilt \(4q\mid N\), und \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] Keiner der beiden Faktoren ist durch \(3\) teilbar, also gilt erneut \(3\nmid T(N)\).
Nehmen wir nun an, dass \(4\nmid N\). Sei \(p\) der kleinste ungerade Primteiler von \(N\), der existiert, weil \(N\) mindestens drei strenge Teiler hat. Dann ist \(d_1=2\) und \(d_2=p\). Wäre \(d_3\) ungerade, so wäre \(N/2\) ungerade, während \(N/p\) und \(N/d_3\) gerade wären, sodass \(T(N)\) ungerade wäre. Also ist \(d_3\) gerade. Der kleinste gerade Teiler von \(N\), der größer als \(2\) ist, ist \(2p\), also gilt \(d_3=2p\). Daher ist \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] Wegen \(3\nmid N\) ist weder \(N/(2p)\) noch \(p+3\) durch \(3\) teilbar. Dies beweist die Implikation.
Ist \(N\) gerade und nicht durch \(3\) teilbar, so gilt außerdem \(d_1=2\), \(d_2\geq4\) und \(d_3\geq5\). Somit ist \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] Wir wissen bereits, dass jedes Glied unserer Folge gerade ist. Wäre daher ein Glied nicht durch \(3\) teilbar, so würde die obige Implikation sicherstellen, dass kein nachfolgendes Glied durch \(3\) teilbar wäre, und die Folge wäre von da an streng fallend. Dies ist unmöglich. Daher gilt \[ 6\mid a_n\qquad\text{für jedes }n\geq1. \]
Nun bestimmen wir, wie sich Vielfache von \(6\) entwickeln. Ihre beiden kleinsten Teiler, die größer als \(1\) sind, sind \(2\) und \(3\), und der dritte ist \(4\), \(5\) oder \(6\). Folglich gilt \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] Im mittleren Fall ist \(N/30\) ungerade, also ist \(T(N)\) ungerade. Dieser Fall kann in unserer Folge nicht auftreten.
Somit wird bei jedem Übergang das aktuelle Glied entweder mit \(13/12\) multipliziert oder unverändert gelassen. Jede Multiplikation mit \(13/12\) verringert den Exponenten von \(2\) in der Primfaktorzerlegung des Gliedes um \(2\). Da jedes Glied gerade ist, kann es nur endlich viele solche Übergänge geben. Sobald ein Glied unverändert bleibt, sind alle nachfolgenden Glieder gleich diesem.
Es gebe genau \(k\geq0\) Übergänge, bevor die Folge konstant wird. Ihr erstes unverändert bleibendes Glied hat die Form \[ a_{k+1}=6u,\qquad \operatorname{ggT}(u,10)=1, \] denn es ist durch \(6\), aber weder durch \(4\) noch durch \(5\) teilbar. Außerdem gilt \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] also \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] Da \(13^k\) zu \(6\cdot12^k\) teilerfremd ist, teilt es \(u\). Schreiben wir \(u=13^k m\), so erhalten wir \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \operatorname{ggT}(m,10)=1. \] Dies beweist die Notwendigkeit.
Umgekehrt wählen wir ein beliebiges \(k\geq0\) und eine positive ganze Zahl \(m\) mit \(\operatorname{ggT}(m,10)=1\). Beginnend mit \(a_1=6\cdot12^k m\) liefert die Rekursion \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] Tatsächlich ist für \(j<k\) das angegebene Glied durch \(12\) teilbar, sodass das nächste Glied das \(13/12\)-Fache davon ist. Das resultierende Glied \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] ist weder durch \(4\) noch durch \(5\) teilbar und wird daher von \(T\) unverändert gelassen.
Alle diese Glieder sind Vielfache von \(6\), also hat jedes die drei verschiedenen strengen Teiler \(1,2,3\). Die Folge setzt sich daher unbegrenzt fort und erfüllt alle Anforderungen. Dies beweist die Hinlänglichkeit.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 4
Bir \(a_1,a_2,\ldots\) sonsuz pozitif tam sayı dizisinde, her terimin en az üç tane kendisine eşit olmayan böleni vardır. Bu dizide, her \(n\geq 1\) için, \(a_{n+1}\) sayısı \(a_n\) sayısının kendisine eşit olmayan en büyük üç böleninin toplamına eşittir.
\(a_1\) sayısının alabileceği tüm değerleri bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Mümkün olan değerler tam olarak şunlardır: \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \operatorname{ebob}(m,10)=1.} \]
Çözüm
Kendisine eşit olmayan en az üç pozitif böleni bulunan bir \(N\) pozitif tam sayısı için, bunların en büyük üçünün toplamını \(T(N)\) ile gösterelim. \(d_1<d_2<d_3\), \(N\)'nin kendisi de dahil olmak üzere \(1\)'den büyük en küçük üç böleni ise \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3} \] olur.
Önce verilen sonsuz dizinin her teriminin \(6\)'ya bölündüğünü kanıtlayalım.
Her terim çifttir. \(N\) tek ise bütün bölenleri tektir; dolayısıyla \(T(N)\) de tektir. Üstelik \(N\)'nin kendisine eşit olmayan her böleni en fazla \(N/3\)'tür. Kendisine eşit olmayan en büyük üç böleni birbirinden farklı olduğundan toplamları \(N\)'den kesinlikle küçüktür. Sonuç olarak tek bir terim, kendisinden sonraki bütün terimlerin kesin azalan bir pozitif tam sayı dizisi oluşturmasını gerektirirdi; bu ise imkânsızdır.
Her terim \(3\)'e bölünür. Şu gerektirmeyi kanıtlayalım: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
Önce \(4\mid N\) olduğunu varsayalım. Bu durumda \(d_1=2\) ve \(d_2=4\)'tür.
- \(d_3\) çift ise \(d_3/2\), \(N\)'nin \(2\) ile \(d_3\) arasında bulunan bir bölenidir. Dolayısıyla \(4\)'e eşit olmalıdır; böylece \(d_3=8\) olur. Buradan \[ T(N)=\frac{7N}{8} \] elde edilir ve bu sayı \(3\)'e bölünmez.
- \(d_3=q\) tek ise \(4q\mid N\)'dir ve \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4) \] olur. İki çarpanın hiçbiri \(3\)'e bölünmediğinden yine \(3\nmid T(N)\)'dir.
Şimdi \(4\nmid N\) olduğunu varsayalım. \(p\), \(N\)'nin en küçük tek asal böleni olsun; \(N\)'nin kendisine eşit olmayan en az üç böleni bulunduğundan böyle bir asal bölen vardır. Bu durumda \(d_1=2\) ve \(d_2=p\)'dir. \(d_3\) tek olsaydı \(N/2\) tek, \(N/p\) ve \(N/d_3\) ise çift olurdu; böylece \(T(N)\) tek olurdu. Dolayısıyla \(d_3\) çifttir. \(N\)'nin \(2\)'den büyük en küçük çift böleni \(2p\) olduğundan \(d_3=2p\)'dir. Bu nedenle \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3) \] olur. \(3\nmid N\) olduğundan ne \(N/(2p)\) ne de \(p+3\), \(3\)'e bölünür. Bu, gerektirmeyi kanıtlar.
Ayrıca, \(N\) çift ve \(3\)'e bölünmeyen bir sayı olduğunda \(d_1=2\), \(d_2\geq4\) ve \(d_3\geq5\)'tir. Böylece \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] Dizimizin her teriminin çift olduğunu zaten biliyoruz. Dolayısıyla bir terim \(3\)'e bölünmeseydi yukarıdaki gerektirme, sonraki hiçbir terimin de \(3\)'e bölünmemesini sağlardı ve dizi o noktadan itibaren kesin azalırdı. Bu imkânsızdır. O hâlde \[ 6\mid a_n\qquad\text{her }n\geq1 \] için.
Şimdi \(6\)'nın katlarının nasıl değiştiğini belirleyelim. Bunların \(1\)'den büyük en küçük iki böleni \(2\) ve \(3\)'tür; üçüncüsü ise \(4\), \(5\) veya \(6\)'dır. Sonuç olarak, \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] Ortadaki durumda \(N/30\) tektir; dolayısıyla \(T(N)\) de tektir. Bu durum dizimizde ortaya çıkamaz.
Böylece her geçişte mevcut terim ya \(13/12\) ile çarpılır ya da sabit kalır. \(13/12\) ile her çarpma, terimin asal çarpanlarına ayrılışındaki \(2\)'nin üssünü \(2\) azaltır. Her terim çift olduğundan bu tür geçişlerin sayısı sonlu olmalıdır. Bir terim sabit kaldığında sonraki bütün terimler de ona eşit olur.
Dizi sabit hâle gelmeden önce tam olarak \(k\geq0\) geçiş yapılmış olsun. İlk sabit terimi \[ a_{k+1}=6u,\qquad \operatorname{ebob}(u,10)=1 \] biçimindedir; çünkü bu terim \(6\)'ya bölünür, ancak ne \(4\)'e ne de \(5\)'e bölünür. Ayrıca, \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1 \] olduğundan \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u \] elde edilir. \(13^k\) ile \(6\cdot12^k\) aralarında asal olduğundan \(13^k\), \(u\)'yu böler. \(u=13^k m\) yazıldığında \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \operatorname{ebob}(m,10)=1 \] elde edilir. Bu, gerekliliği kanıtlar.
Tersine, herhangi bir \(k\geq0\) ve \(\operatorname{ebob}(m,10)=1\) koşulunu sağlayan bir \(m\) pozitif tam sayısı alalım. \(a_1=6\cdot12^k m\)'den başlandığında yineleme bağıntısı \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k) \] verir. Gerçekten de \(j<k\) için gösterilen terim \(12\)'ye bölünür; dolayısıyla bir sonraki terim bunun \(13/12\) katıdır. Elde edilen \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] terimi ne \(4\)'e ne de \(5\)'e bölünür; dolayısıyla \(T\) altında sabit kalır.
Bu terimlerin hepsi \(6\)'nın katı olduğundan her birinin kendisine eşit olmayan \(1,2,3\) olmak üzere üç farklı böleni vardır. Dolayısıyla dizi sonsuza kadar devam eder ve bütün koşulları sağlar. Bu, yeterliliği kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 4
Un divisor propio de un entero positivo \(N\) es un divisor positivo de \(N\) distinto de \(N\).
La sucesión infinita \(a_1,a_2,\ldots\) consiste de enteros positivos, cada uno de los cuales tiene al menos tres divisores propios. Para cada \(n\geq 1\), el entero \(a_{n+1}\) es la suma de los tres mayores divisores propios de \(a_n\).
Determine todos los valores posibles de \(a_1\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Los valores posibles son exactamente \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \operatorname{mcd}(m,10)=1.} \]
Solución
Para un entero positivo \(N\) con al menos tres divisores propios, sea \(T(N)\) la suma de sus tres mayores divisores propios. Si \(d_1<d_2<d_3\) son los tres menores divisores de \(N\) mayores que \(1\), admitiendo al propio \(N\), entonces \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
Primero demostramos que todo término de la sucesión infinita dada es divisible por \(6\).
Todo término es par. Si \(N\) es impar, todos sus divisores son impares, de modo que \(T(N)\) es impar. Además, todo divisor propio de \(N\) es a lo más \(N/3\). Como los tres mayores divisores propios son distintos, su suma es estrictamente menor que \(N\). Por consiguiente, un término impar obligaría a que todos los términos posteriores formaran una sucesión estrictamente decreciente de enteros positivos, lo cual es imposible.
Todo término es divisible por \(3\). Establecemos la siguiente implicación: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
Supongamos primero que \(4\mid N\). Entonces \(d_1=2\) y \(d_2=4\).
- Si \(d_3\) es par, entonces \(d_3/2\) es un divisor de \(N\) estrictamente entre \(2\) y \(d_3\). Por tanto, debe ser igual a \(4\), de modo que \(d_3=8\). Así, \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] que no es divisible por \(3\).
- Si \(d_3=q\) es impar, entonces \(4q\mid N\), y \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] Ninguno de los factores es divisible por \(3\), de modo que de nuevo \(3\nmid T(N)\).
Supongamos ahora que \(4\nmid N\). Sea \(p\) el menor divisor primo impar de \(N\), que existe porque \(N\) tiene al menos tres divisores propios. Entonces \(d_1=2\) y \(d_2=p\). Si \(d_3\) fuera impar, \(N/2\) sería impar, mientras que \(N/p\) y \(N/d_3\) serían pares, por lo que \(T(N)\) sería impar. Así, \(d_3\) es par. El menor divisor par de \(N\) mayor que \(2\) es \(2p\), de modo que \(d_3=2p\). Por tanto, \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] Como \(3\nmid N\), ni \(N/(2p)\) ni \(p+3\) son divisibles por \(3\). Esto demuestra la implicación.
Además, siempre que \(N\) es par y no es divisible por \(3\), tenemos \(d_1=2\), \(d_2\geq4\) y \(d_3\geq5\). Así, \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] Ya sabemos que todo término de nuestra sucesión es par. Por tanto, si algún término no fuera divisible por \(3\), la implicación anterior garantizaría que ningún término posterior fuera divisible por \(3\), y la sucesión sería estrictamente decreciente a partir de entonces. Esto es imposible. Por tanto, \[ 6\mid a_n\qquad\text{para todo }n\geq1. \]
Determinamos ahora la evolución de los múltiplos de \(6\). Sus dos menores divisores mayores que \(1\) son \(2\) y \(3\), y el tercero es \(4\), \(5\) o \(6\). Por consiguiente, \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] En el caso intermedio, \(N/30\) es impar, de modo que \(T(N)\) es impar. Este caso no puede darse en nuestra sucesión.
Así, cada transición multiplica el término actual por \(13/12\) o lo deja fijo. Cada multiplicación por \(13/12\) disminuye en \(2\) el exponente de \(2\) en la descomposición en factores primos del término. Como todo término es par, solo puede haber un número finito de tales transiciones. Una vez que un término queda fijo, todos los términos posteriores son iguales a él.
Supongamos que hay exactamente \(k\geq0\) transiciones antes de que la sucesión se vuelva constante. Su primer término fijo tiene la forma \[ a_{k+1}=6u,\qquad \operatorname{mcd}(u,10)=1, \] porque es divisible por \(6\), pero no por \(4\) ni por \(5\). Además, \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] por lo que \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] Como \(13^k\) es coprimo con \(6\cdot12^k\), divide a \(u\). Escribiendo \(u=13^k m\), obtenemos \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \operatorname{mcd}(m,10)=1. \] Esto demuestra la necesidad.
Recíprocamente, tomemos cualquier \(k\geq0\) y cualquier entero positivo \(m\) con \(\operatorname{mcd}(m,10)=1\). Partiendo de \(a_1=6\cdot12^k m\), la recurrencia da \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] En efecto, para \(j<k\), el término mostrado es divisible por \(12\), por lo que el siguiente término es \(13/12\) veces este. El término resultante \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] no es divisible por \(4\) ni por \(5\), y por tanto es un punto fijo de \(T\).
Todos estos términos son múltiplos de \(6\), de modo que cada uno tiene los tres divisores propios distintos \(1,2,3\). Por tanto, la sucesión continúa indefinidamente y satisface todos los requisitos. Esto demuestra la suficiencia.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 4
正整数 \(N\) 的一个正因子称为 \(N\) 的“非自身因子”,如果它不等于 \(N\)。
无穷正整数序列 \(a_1,a_2,\ldots\) 满足,其每一项都至少有三个非自身因子,且对 \(n\geq 1\),\(a_{n+1}\) 是 \(a_n\) 的最大的三个非自身因子之和。
求 \(a_1\) 的所有可能值。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有可能值恰为 \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \gcd(m,10)=1.} \]
解答
对于至少有三个非自身因子的正整数 \(N\),记 \(T(N)\) 为其最大的三个非自身因子之和。如果 \(d_1<d_2<d_3\) 是 \(N\) 的大于 \(1\) 的三个最小因子,其中允许包含 \(N\) 本身,那么 \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
我们先证明,给定无穷序列的每一项都被 \(6\) 整除。
每一项都是偶数。 如果 \(N\) 为奇数,则它的所有因子都是奇数,所以 \(T(N)\) 为奇数。此外,\(N\) 的每个非自身因子都不超过 \(N/3\)。由于最大的三个非自身因子互不相同,它们的和严格小于 \(N\)。因此,若某一项为奇数,则从这一项起的所有项构成严格递减的正整数序列,这是不可能的。
每一项都被 \(3\) 整除。 我们证明以下推论: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
先假设 \(4\mid N\)。此时 \(d_1=2\),\(d_2=4\)。
- 如果 \(d_3\) 为偶数,那么 \(d_3/2\) 是 \(N\) 的一个严格介于 \(2\) 与 \(d_3\) 之间的因子。因此它必须等于 \(4\),所以 \(d_3=8\)。于是 \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] 它不被 \(3\) 整除。
- 如果 \(d_3=q\) 为奇数,则 \(4q\mid N\),且 \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] 两个因子都不被 \(3\) 整除,因此仍有 \(3\nmid T(N)\)。
现在假设 \(4\nmid N\)。设 \(p\) 为 \(N\) 的最小奇素因子;因为 \(N\) 至少有三个非自身因子,所以这样的素因子存在。于是 \(d_1=2\),\(d_2=p\)。如果 \(d_3\) 为奇数,那么 \(N/2\) 为奇数,而 \(N/p\) 和 \(N/d_3\) 都为偶数,从而 \(T(N)\) 为奇数。因此 \(d_3\) 为偶数。\(N\) 的大于 \(2\) 的最小偶因子是 \(2p\),所以 \(d_3=2p\)。因此 \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] 由于 \(3\nmid N\),\(N/(2p)\) 和 \(p+3\) 都不被 \(3\) 整除。这就证明了上述推论。
此外,只要 \(N\) 为偶数且不被 \(3\) 整除,就有 \(d_1=2\)、\(d_2\geq4\) 和 \(d_3\geq5\)。于是 \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] 我们已经知道,序列的每一项都是偶数。因此,如果某一项不被 \(3\) 整除,上述推论就保证此后各项都不被 \(3\) 整除,且序列从此严格递减。这是不可能的。因此 \[ 6\mid a_n\qquad\text{对每个 }n\geq1. \]
下面确定 \(6\) 的倍数在递推中的变化规律。它们大于 \(1\) 的两个最小因子为 \(2\) 和 \(3\),第三个为 \(4\)、\(5\) 或 \(6\)。因此, \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] 在中间一种情形中,\(N/30\) 为奇数,所以 \(T(N)\) 为奇数。这种情形不可能在我们的序列中出现。
因此,每次递推或者将当前项乘以 \(13/12\),或者使其保持不变。每乘一次 \(13/12\),该项的素因数分解中 \(2\) 的指数就减少 \(2\)。由于每一项都是偶数,这样的递推只能发生有限次。一旦某一项保持不变,此后所有项都等于它。
设序列恰好经过 \(k\geq0\) 次递推后成为常数序列。其第一个保持不变的项形如 \[ a_{k+1}=6u,\qquad \gcd(u,10)=1, \] 因为它被 \(6\) 整除,但既不被 \(4\) 整除,也不被 \(5\) 整除。此外, \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] 所以 \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] 由于 \(13^k\) 与 \(6\cdot12^k\) 互素,它整除 \(u\)。写成 \(u=13^k m\),得到 \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \gcd(m,10)=1. \] 这就证明了必要性。
反之,任取 \(k\geq0\) 和满足 \(\gcd(m,10)=1\) 的正整数 \(m\)。从 \(a_1=6\cdot12^k m\) 开始,递推式给出 \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] 事实上,当 \(j<k\) 时,上式中的项被 \(12\) 整除,所以下一项是它的 \(13/12\) 倍。所得的项 \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] 既不被 \(4\) 整除,也不被 \(5\) 整除,因此在 \(T\) 的作用下保持不变。
所有这些项都是 \(6\) 的倍数,因此每一项都有 \(1,2,3\) 这三个不同的非自身因子。所以,该序列可以无限继续,并满足所有要求。这就证明了充分性。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 4
Собственным делителем положительного целого числа \(N\) называется положительный делитель числа \(N\), отличный от самого \(N\).
Бесконечная последовательность \(a_1,a_2,\ldots\) состоит из положительных целых чисел, каждое из которых имеет по крайней мере три собственных делителя. Для каждого \(n\geq 1\) число \(a_{n+1}\) равно сумме трёх наибольших собственных делителей числа \(a_n\).
Определите все возможные значения числа \(a_1\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Возможные значения — в точности \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \operatorname{НОД}(m,10)=1.} \]
Решение
Для положительного целого числа \(N\), имеющего по крайней мере три собственных делителя, обозначим через \(T(N)\) сумму трёх наибольших из них. Если \(d_1<d_2<d_3\) — три наименьших делителя числа \(N\), больших \(1\), среди которых допускается само \(N\), то \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
Сначала докажем, что каждый член данной бесконечной последовательности делится на \(6\).
Каждый член чётен. Если \(N\) нечётно, все его делители нечётны, поэтому \(T(N)\) нечётно. Кроме того, каждый собственный делитель числа \(N\) не превосходит \(N/3\). Поскольку три наибольших собственных делителя различны, их сумма строго меньше \(N\). Следовательно, наличие нечётного члена означало бы, что все последующие члены образуют строго убывающую последовательность положительных целых чисел, что невозможно.
Каждый член делится на \(3\). Установим следующую импликацию: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
Предположим сначала, что \(4\mid N\). Тогда \(d_1=2\) и \(d_2=4\).
- Если \(d_3\) чётно, то \(d_3/2\) — делитель числа \(N\), лежащий строго между \(2\) и \(d_3\). Следовательно, он должен равняться \(4\), откуда \(d_3=8\). Поэтому \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] и это число не делится на \(3\).
- Если \(d_3=q\) нечётно, то \(4q\mid N\) и \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] Ни один из множителей не делится на \(3\), поэтому снова \(3\nmid T(N)\).
Теперь предположим, что \(4\nmid N\). Пусть \(p\) — наименьший нечётный простой делитель числа \(N\), который существует, поскольку \(N\) имеет по крайней мере три собственных делителя. Тогда \(d_1=2\) и \(d_2=p\). Если бы \(d_3\) было нечётным, то \(N/2\) было бы нечётным, а \(N/p\) и \(N/d_3\) — чётными, вследствие чего \(T(N)\) было бы нечётным. Таким образом, \(d_3\) чётно. Наименьший чётный делитель числа \(N\), больший \(2\), равен \(2p\), поэтому \(d_3=2p\). Следовательно, \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] Поскольку \(3\nmid N\), ни \(N/(2p)\), ни \(p+3\) не делятся на \(3\). Импликация доказана.
Кроме того, если \(N\) чётно и не делится на \(3\), то \(d_1=2\), \(d_2\geq4\) и \(d_3\geq5\). Таким образом, \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] Мы уже знаем, что каждый член нашей последовательности чётен. Поэтому, если бы некоторый член не делился на \(3\), доказанная выше импликация гарантировала бы, что ни один последующий член не делится на \(3\), и с этого момента последовательность строго убывала бы. Это невозможно. Следовательно, \[ 6\mid a_n\qquad\text{для каждого }n\geq1. \]
Теперь определим, как изменяются числа, кратные \(6\). Два их наименьших делителя, больших \(1\), — это \(2\) и \(3\), а третий равен \(4\), \(5\) или \(6\). Следовательно, \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] Во втором случае \(N/30\) нечётно, поэтому \(T(N)\) нечётно. Этот случай не может возникнуть в нашей последовательности.
Таким образом, при каждом переходе текущий член либо умножается на \(13/12\), либо остаётся неизменным. Каждое умножение на \(13/12\) уменьшает показатель степени числа \(2\) в разложении члена на простые множители на \(2\). Поскольку каждый член чётен, таких переходов может быть лишь конечное число. Как только некоторый член остаётся неизменным, все последующие члены равны ему.
Пусть до того, как последовательность станет постоянной, происходит ровно \(k\geq0\) переходов. Её первый неизменный член имеет вид \[ a_{k+1}=6u,\qquad \operatorname{НОД}(u,10)=1, \] поскольку он делится на \(6\), но не делится ни на \(4\), ни на \(5\). Кроме того, \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] поэтому \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] Поскольку \(13^k\) взаимно просто с \(6\cdot12^k\), оно делит \(u\). Записав \(u=13^k m\), получаем \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \operatorname{НОД}(m,10)=1. \] Необходимость доказана.
Обратно, возьмём любое \(k\geq0\) и положительное целое \(m\), для которого \(\operatorname{НОД}(m,10)=1\). Начиная с \(a_1=6\cdot12^k m\), по рекуррентному соотношению получаем \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] Действительно, при \(j<k\) указанный член делится на \(12\), поэтому следующий член равен ему, умноженному на \(13/12\). Полученный член \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] не делится ни на \(4\), ни на \(5\) и потому остаётся неизменным при применении \(T\).
Все эти члены кратны \(6\), поэтому каждый имеет три различных собственных делителя \(1,2,3\). Следовательно, последовательность продолжается бесконечно и удовлетворяет всем требованиям. Достаточность доказана.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 4
تتكون المتتابعة اللانهائية \(a_1,a_2,\ldots\) من أعداد صحيحة موجبة، بحيث لكل عنصر منها على الأقل ثلاثة قواسم فعلية صحيحة موجبة. لكل \(n\geq 1\)، يكون \(a_{n+1}\) هو مجموع أكبر ثلاث قواسم فعلية للعدد \(a_n\).
حدد جميع القيم الممكنة للعدد الأول \(a_1\).
(القاسم الفعلي لعدد صحيح موجب \(N\) هو القاسم الصحيح الموجب لـ \(N\) الذي لا يساوي \(N\) نفسه.)
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
القيم الممكنة هي بالضبط \[ \boxed{a_1=6\cdot12^k m,\qquad k\in\mathbb Z_{\geq0},\quad m\in\mathbb Z_{>0},\quad \gcd(m,10)=1.} \]
الحل
لكل عدد صحيح موجب \(N\) له ثلاثة قواسم فعلية على الأقل، ليكن \(T(N)\) مجموع أكبر ثلاثة منها. إذا كانت \(d_1<d_2<d_3\) أصغر ثلاثة قواسم لـ \(N\) أكبر من \(1\)، مع السماح بأن يكون \(N\) نفسه من بينها، فإن \[ T(N)=\frac{N}{d_1}+\frac{N}{d_2}+\frac{N}{d_3}. \]
نثبت أولاً أن كل حد من المتتابعة اللانهائية المعطاة يقبل القسمة على \(6\).
كل حد زوجي. إذا كان \(N\) فردياً، كانت جميع قواسمه فردية، ولذلك يكون \(T(N)\) فردياً. فضلاً عن ذلك، فإن كل قاسم فعلي لـ \(N\) لا يتجاوز \(N/3\). وبما أن أكبر ثلاثة قواسم فعلية مختلفة، فإن مجموعها أصغر تماماً من \(N\). وعليه، فإن وجود حد فردي يفرض أن تشكل جميع الحدود اللاحقة متتابعة متناقصة تماماً من الأعداد الصحيحة الموجبة، وهذا مستحيل.
كل حد يقبل القسمة على \(3\). نثبت الاستلزام التالي: \[ 2\mid N,\quad 3\nmid N,\quad 2\mid T(N) \quad\Longrightarrow\quad 3\nmid T(N). \]
لنفترض أولاً أن \(4\mid N\). عندئذ \(d_1=2\) و \(d_2=4\).
- إذا كان \(d_3\) زوجياً، فإن \(d_3/2\) قاسم لـ \(N\) يقع تماماً بين \(2\) و \(d_3\). لذا لا بد أن يساوي \(4\)، ومن ثم \(d_3=8\). وعليه \[ T(N)=\frac{7N}{8}, \] وهو لا يقبل القسمة على \(3\).
- إذا كان \(d_3=q\) فردياً، فإن \(4q\mid N\)، و \[ T(N)=\frac{N}{4q}(3q+4). \] لا يقبل أيٌّ من العاملين القسمة على \(3\)، ومن ثم مرة أخرى \(3\nmid T(N)\).
لنفترض الآن أن \(4\nmid N\). ليكن \(p\) أصغر قاسم أولي فردي لـ \(N\)، وهو موجود لأن لـ \(N\) ثلاثة قواسم فعلية على الأقل. عندئذ \(d_1=2\) و \(d_2=p\). لو كان \(d_3\) فردياً، لكان \(N/2\) فردياً بينما \(N/p\) و \(N/d_3\) زوجيان، مما يجعل \(T(N)\) فردياً. إذن \(d_3\) زوجي. وأصغر قاسم زوجي لـ \(N\) أكبر من \(2\) هو \(2p\)، لذا \(d_3=2p\). وبالتالي \[ T(N)=\frac{N}{2p}(p+3). \] بما أن \(3\nmid N\)، فلا \(N/(2p)\) ولا \(p+3\) يقبل القسمة على \(3\). وهذا يثبت الاستلزام.
علاوة على ذلك، كلما كان \(N\) زوجياً ولا يقبل القسمة على \(3\)، كان لدينا \(d_1=2\)، و \(d_2\geq4\)، و \(d_3\geq5\). ومن ثم \[ T(N)\leq N\left(\frac12+\frac14+\frac15\right) =\frac{19N}{20}<N. \] نعلم بالفعل أن كل حد من متتابعتنا زوجي. لذا، لو كان أحد الحدود لا يقبل القسمة على \(3\)، لضمن الاستلزام أعلاه أن أي حد لاحق لا يقبل القسمة على \(3\)، ولأصبحت المتتابعة بعد ذلك متناقصة تماماً. وهذا مستحيل. وبالتالي \[ 6\mid a_n\qquad\text{لكل }n\geq1. \]
نحدد الآن تطور مضاعفات \(6\). أصغر قاسمين لها أكبر من \(1\) هما \(2\) و \(3\)، والثالث هو \(4\) أو \(5\) أو \(6\). وعليه، \[ T(N)= \begin{cases} \dfrac{13N}{12},&4\mid N,\\[4pt] \dfrac{31N}{30},&4\nmid N,\ 5\mid N,\\[4pt] N,&4\nmid N,\ 5\nmid N, \end{cases} \qquad (6\mid N). \] في الحالة الوسطى، يكون \(N/30\) فردياً، ومن ثم يكون \(T(N)\) فردياً. فلا يمكن أن تحدث هذه الحالة في متتابعتنا.
إذن كل انتقال إما أن يضرب الحد الحالي في \(13/12\)، أو أن يتركه ثابتاً. وكل ضرب في \(13/12\) ينقص أسّ \(2\) في التحليل الأولي للحد بمقدار \(2\). وبما أن كل حد زوجي، فلا يمكن أن يوجد إلا عدد منتهٍ من هذه الانتقالات. وبمجرد بلوغ حد ثابت، تساويه جميع الحدود اللاحقة.
ليكن عدد الانتقالات قبل أن تصبح المتتابعة ثابتة هو \(k\geq0\) بالضبط. يكون أول حد ثابت فيها على الصورة \[ a_{k+1}=6u,\qquad \gcd(u,10)=1, \] لأنه يقبل القسمة على \(6\)، ولا يقبل القسمة على \(4\) ولا على \(5\). ولدينا أيضاً \[ 6u=\left(\frac{13}{12}\right)^k a_1, \] ومن ثم \[ 13^k a_1=6\cdot12^k u. \] بما أن \(13^k\) أولي نسبياً مع \(6\cdot12^k\)، فإنه يقسم \(u\). وبكتابة \(u=13^k m\)، نحصل على \[ a_1=6\cdot12^k m,\qquad \gcd(m,10)=1. \] وهذا يثبت الضرورة.
وبالعكس، نأخذ أي \(k\geq0\) وأي عدد صحيح موجب \(m\) يحقق \(\gcd(m,10)=1\). بدءاً من \(a_1=6\cdot12^k m\)، تعطينا العلاقة التكرارية \[ a_{j+1}=6\cdot12^{k-j}13^j m \qquad (0\leq j\leq k). \] بالفعل، عندما \(j<k\)، يقبل الحد المعروض القسمة على \(12\)، لذا فإن الحد التالي يساوي \(13/12\) مضروباً فيه. أما الحد الناتج \[ a_{k+1}=6\cdot13^k m \] فلا يقبل القسمة على \(4\) ولا على \(5\)، ومن ثم تثبته \(T\).
جميع هذه الحدود مضاعفات للعدد \(6\)، ولذلك لكل منها القواسم الفعلية الثلاثة المختلفة \(1,2,3\). ومن ثم تستمر المتتابعة إلى ما لا نهاية وتحقق جميع الشروط. وهذا يثبت الكفاية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.