IMO 2026 · Problem 1
There are 2026 integers greater than 1 written on a blackboard, not necessarily different. In a move, Confucius chooses two integers \(m>1\) and \(n>1\) from different places on the blackboard and replaces these two integers with \[ \gcd(m,n)\qquad\text{and}\qquad\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}{\gcd(m,n)}. \] He continues to make moves while it is possible to do so.
(a) Prove that, regardless of the choices of Confucius, after finitely many moves, exactly one integer \(M\) on the blackboard is greater than 1.
(b) Prove that the value of \(M\) does not depend on the choices of Confucius.
(Note that \(\gcd(x,y)\) denotes the greatest common divisor of positive integers \(x\) and \(y\), and \(\operatorname{lcm}(x,y)\) denotes the least common multiple of \(x\) and \(y\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
If the initial integers are \(a_1,\ldots,a_{2026}\), then \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] where the product runs over primes and \(v_p(a)\) denotes the exponent of \(p\) in \(a\).
Solution
(a) Let \(P\) be the product of all numbers currently on the blackboard, and let \(k\) be the number of them greater than \(1\). We show that the positive integer \(P+k\) strictly decreases in every move.
Suppose the chosen numbers are \(m,n>1\), and put \(d=\gcd(m,n)\). The product of their replacements is \[ d\cdot\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}d =\operatorname{lcm}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] Thus the new product of all blackboard entries is \(P/d\). Also, \(k\) cannot increase, since two entries greater than \(1\) are replaced by two positive integers.
If \(d>1\), the product \(P\) strictly decreases. If \(d=1\), the replacements are \(1\) and \(mn>1\), so \(P\) stays unchanged and \(k\) decreases by one. Hence \(P+k\) strictly decreases in either case. Consequently, every sequence of moves is finite.
There is always at least one entry greater than \(1\): in any move the product of the two replacements is \(\operatorname{lcm}(m,n)>1\). When no further move is possible, there cannot be two entries greater than \(1\). Therefore exactly one such entry remains.
(b) Fix a prime \(p\). For the current blackboard entries \(b_1,\ldots,b_{2026}\), consider \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] with the convention that the gcd of an all-zero list is \(0\).
If the selected numbers have \(p\)-adic exponents \(u=v_p(m)\) and \(v=v_p(n)\), their replacements have exponents \[ \min(u,v) \quad\text{and}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] The common divisors of \(u,v\) are precisely the common divisors of \(\min(u,v),|u-v|\): one direction follows by subtraction, and the other by the identity \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v|. \] This also covers zero exponents. Since all other exponents remain unchanged, \(G_p\) is invariant under every move.
By part (a), the final entries are \(M\) and \(2025\) copies of \(1\). Thus the final value of this invariant is \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] Comparing initial and final values gives, for every prime \(p\), \[ v_p(M)=\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] Unique prime factorization now yields the stated formula for \(M\), which depends only on the initial entries. This proves (b).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2026 · Aufgabe 1
Auf einer Tafel stehen 2026 (nicht notwendigerweise verschiedene) ganze Zahlen, die größer als 1 sind. Ein Zug besteht darin, dass Konfuzius zwei Zahlen \(m>1\) und \(n>1\) wählt, die an verschiedenen Stellen auf der Tafel stehen, und diese durch \[ \operatorname{ggT}(m,n)\qquad\text{und}\qquad\frac{\operatorname{kgV}(m,n)}{\operatorname{ggT}(m,n)} \] ersetzt. Solange es möglich ist, führt er Züge aus.
(a) Man beweise, dass nach endlich vielen Zügen genau eine Zahl \(M\) auf der Tafel steht, die größer als 1 ist, unabhängig von der Wahl von Konfuzius’ Zügen.
(b) Man beweise, dass \(M\) nicht davon abhängt, wie Konfuzius seine Züge wählt.
(Dabei bezeichnet \(\operatorname{ggT}(x,y)\) den größten gemeinsamen Teiler der positiven ganzen Zahlen \(x\) und \(y\) sowie \(\operatorname{kgV}(x,y)\) das kleinste gemeinsame Vielfache von \(x\) und \(y\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Sind die anfänglichen Zahlen \(a_1,\ldots,a_{2026}\), so gilt \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\operatorname{ggT}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] wobei das Produkt über Primzahlen läuft und \(v_p(a)\) den Exponenten von \(p\) in \(a\) bezeichnet.
Lösung
(a) Sei \(P\) das Produkt aller Zahlen, die derzeit auf der Tafel stehen, und sei \(k\) die Anzahl derjenigen unter ihnen, die größer als \(1\) sind. Wir zeigen, dass die positive ganze Zahl \(P+k\) bei jedem Zug streng abnimmt.
Die gewählten Zahlen seien \(m,n>1\), und wir setzen \(d=\operatorname{ggT}(m,n)\). Das Produkt der Zahlen, durch die sie ersetzt werden, ist \[ d\cdot\frac{\operatorname{kgV}(m,n)}d =\operatorname{kgV}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] Somit ist das neue Produkt aller Tafeleinträge gleich \(P/d\). Außerdem kann \(k\) nicht zunehmen, da zwei Einträge größer als \(1\) durch zwei positive ganze Zahlen ersetzt werden.
Ist \(d>1\), so nimmt das Produkt \(P\) streng ab. Ist \(d=1\), so sind die neuen Zahlen \(1\) und \(mn>1\); also bleibt \(P\) unverändert und \(k\) nimmt um eins ab. Daher nimmt \(P+k\) in beiden Fällen streng ab. Folglich ist jede Zugfolge endlich.
Es gibt stets mindestens einen Eintrag größer als \(1\): Bei jedem Zug ist das Produkt der beiden neuen Zahlen gleich \(\operatorname{kgV}(m,n)>1\). Wenn kein weiterer Zug möglich ist, kann es keine zwei Einträge größer als \(1\) geben. Daher bleibt genau ein solcher Eintrag übrig.
(b) Sei \(p\) eine feste Primzahl. Für die derzeitigen Tafeleinträge \(b_1,\ldots,b_{2026}\) betrachten wir \[ G_p=\operatorname{ggT}\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] wobei wir vereinbaren, dass der größte gemeinsame Teiler einer Liste, die nur aus Nullen besteht, gleich \(0\) ist.
Haben die gewählten Zahlen die \(p\)-adischen Exponenten \(u=v_p(m)\) und \(v=v_p(n)\), so haben die Zahlen, durch die sie ersetzt werden, die Exponenten \[ \min(u,v) \quad\text{und}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] Die gemeinsamen Teiler von \(u,v\) sind genau die gemeinsamen Teiler von \(\min(u,v),|u-v|\): Die eine Richtung folgt durch Subtraktion, die andere aus der Identität \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v|. \] Dies schließt auch Exponenten gleich null ein. Da alle anderen Exponenten unverändert bleiben, ist \(G_p\) bei jedem Zug invariant.
Nach Teil (a) sind die abschließenden Einträge \(M\) und \(2025\) Einsen. Somit ist der Endwert dieser Invariante \[ G_p=\operatorname{ggT}\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] Der Vergleich von Anfangs- und Endwert liefert für jede Primzahl \(p\) \[ v_p(M)=\operatorname{ggT}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] Die Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung ergibt nun die angegebene Formel für \(M\), die nur von den anfänglichen Einträgen abhängt. Damit ist (b) bewiesen.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2026 · Soru 1
Bir tahtaya her biri 1’den büyük olan 2026 tane tam sayı yazılmıştır ve bu sayılar birbirinden farklı olmak zorunda değildir. Confucius her hamlesinde tahtanın farklı yerlerine yazılmış \(m>1\) ve \(n>1\) tam sayılarını seçiyor ve bu sayıları silip yerlerine \[ \operatorname{ebob}(m,n)\qquad\text{ve}\qquad\frac{\operatorname{ekok}(m,n)}{\operatorname{ebob}(m,n)} \] tam sayılarını yazıyor. Confucius hamle yapabildiği sürece hamle yapmaya devam ediyor.
(a) Confucius hamlelerini nasıl yaparsa yapsın sonlu hamle sonunda tahtadaki sayıların biri dışında hepsinin 1 ve birinin de 1’den büyük olan bir \(M\) sayısına eşit olacağını gösteriniz.
(b) \(M\) sayısının değerinin Confucius’un hamlelerinden bağımsız olduğunu gösteriniz.
(\(\operatorname{ebob}(x,y)\) ile \(x\) ve \(y\) sayılarının en büyük ortak böleni, ve \(\operatorname{ekok}(x,y)\) ile \(x\) ve \(y\) sayılarının en küçük ortak katı gösterilmektedir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Başlangıçtaki tam sayılar \(a_1,\ldots,a_{2026}\) ise, \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\operatorname{ebob}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)} \] burada çarpım asal sayılar üzerinden alınır ve \(v_p(a)\), \(a\) sayısının asal çarpanlarına ayrılışında \(p\)’nin üssünü gösterir.
Çözüm
(a) Tahtada o anda bulunan tüm sayıların çarpımı \(P\), bunlar arasında \(1\)’den büyük olanların sayısı da \(k\) olsun. \(P+k\) pozitif tam sayısının her hamlede kesin olarak azaldığını göstereceğiz.
Seçilen sayılar \(m,n>1\) olsun ve \(d=\operatorname{ebob}(m,n)\) yazalım. Yerlerine yazılan sayıların çarpımı \[ d\cdot\frac{\operatorname{ekok}(m,n)}d =\operatorname{ekok}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] Dolayısıyla tahtadaki tüm sayıların yeni çarpımı \(P/d\) olur. Ayrıca \(1\)’den büyük iki sayının yerine iki pozitif tam sayı yazıldığı için \(k\) artamaz.
\(d>1\) ise \(P\) çarpımı kesin olarak azalır. \(d=1\) ise yerlerine yazılan sayılar \(1\) ve \(mn>1\) olur; dolayısıyla \(P\) değişmezken \(k\) bir azalır. Böylece her iki durumda da \(P+k\) kesin olarak azalır. Sonuç olarak, her hamle dizisi sonludur.
Tahtada her zaman \(1\)’den büyük en az bir sayı bulunur: her hamlede yerlerine yazılan iki sayının çarpımı \(\operatorname{ekok}(m,n)>1\) olur. Artık hamle yapılamadığında \(1\)’den büyük iki sayı bulunamaz. Bu nedenle böyle yalnızca bir sayı kalır.
(b) Bir \(p\) asal sayısını sabitleyelim. Tahtada o anda bulunan \(b_1,\ldots,b_{2026}\) sayıları için \[ G_p=\operatorname{ebob}\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr) \] ifadesini ele alalım; tüm elemanları sıfır olan bir listenin ebob’unu \(0\) kabul ediyoruz.
Seçilen sayıların \(p\)-adik üsleri \(u=v_p(m)\) ve \(v=v_p(n)\) ise, yerlerine yazılan sayıların üsleri \[ \min(u,v) \quad\text{ve}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] \(u,v\)’nin ortak bölenleri tam olarak \(\min(u,v),|u-v|\)’nin ortak bölenleridir: bir yön çıkarma işlemiyle, diğer yön ise \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v| \] özdeşliğiyle elde edilir. Bu, sıfır olan üsleri de kapsar. Diğer tüm üsler değişmediğinden \(G_p\) her hamlede değişmez kalır.
(a) şıkkına göre, son durumda tahtada \(M\) ve \(2025\) tane \(1\) bulunur. Dolayısıyla bu değişmezin son değeri \[ G_p=\operatorname{ebob}\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] Başlangıç ve son değerleri karşılaştırarak her \(p\) asal sayısı için \[ v_p(M)=\operatorname{ebob}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr) \] elde ederiz. Asal çarpanlara ayrılışın tekliği, \(M\) için belirtilen ve yalnızca başlangıçtaki sayılara bağlı olan formülü verir. Böylece (b) kanıtlanır.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2026 · Problema 1
En una pizarra hay escritos 2026 números enteros mayores que 1 no necesariamente distintos. En cada paso, Confucio elige dos números \(m>1\) y \(n>1\) de lugares distintos de la pizarra y sustituye los números de esos dos lugares por \[ \operatorname{mcd}(m,n)\qquad\text{y}\qquad\frac{\operatorname{mcm}(m,n)}{\operatorname{mcd}(m,n)}. \]
Él continúa haciendo pasos mientras sea posible hacerlo.
(a) Demostrar que, después de un número finito de pasos, entre los 2026 números de la pizarra habrá exactamente un número \(M\) mayor que 1 independientemente de las elecciones que haya hecho Confucio.
(b) Demostrar que el valor de \(M\) no depende de las elecciones que haya hecho Confucio.
(Nota: \(\operatorname{mcd}(a,b)\) denota el máximo común divisor de los enteros positivos \(a\) y \(b\), y \(\operatorname{mcm}(a,b)\) denota el mínimo común múltiplo de \(a\) y \(b\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Si los enteros iniciales son \(a_1,\ldots,a_{2026}\), entonces \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\operatorname{mcd}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] donde el producto recorre los números primos y \(v_p(a)\) denota el exponente de \(p\) en \(a\).
Solución
(a) Sea \(P\) el producto de todos los números que hay actualmente en la pizarra, y sea \(k\) la cantidad de ellos que son mayores que \(1\). Mostraremos que el entero positivo \(P+k\) disminuye estrictamente en cada paso.
Supongamos que los números elegidos son \(m,n>1\), y pongamos \(d=\operatorname{mcd}(m,n)\). El producto de los números que los sustituyen es \[ d\cdot\frac{\operatorname{mcm}(m,n)}d =\operatorname{mcm}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] Por tanto, el nuevo producto de todos los números de la pizarra es \(P/d\). Además, \(k\) no puede aumentar, pues dos números mayores que \(1\) se sustituyen por dos enteros positivos.
Si \(d>1\), el producto \(P\) disminuye estrictamente. Si \(d=1\), los números que los sustituyen son \(1\) y \(mn>1\), de modo que \(P\) no cambia y \(k\) disminuye en uno. Así pues, \(P+k\) disminuye estrictamente en ambos casos. En consecuencia, toda sucesión de pasos es finita.
Siempre hay al menos un número mayor que \(1\): en cualquier paso, el producto de los dos números que sustituyen a los elegidos es \(\operatorname{mcm}(m,n)>1\). Cuando ya no es posible dar ningún paso, no puede haber dos números mayores que \(1\). Por tanto, queda exactamente uno de tales números.
(b) Fijemos un primo \(p\). Para los números \(b_1,\ldots,b_{2026}\) que hay actualmente en la pizarra, consideremos \[ G_p=\operatorname{mcd}\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] con el convenio de que el máximo común divisor de una lista formada solo por ceros es \(0\).
Si los números elegidos tienen exponentes \(p\)-ádicos \(u=v_p(m)\) y \(v=v_p(n)\), los números que los sustituyen tienen exponentes \[ \min(u,v) \quad\text{y}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] Los divisores comunes de \(u,v\) son precisamente los divisores comunes de \(\min(u,v),|u-v|\): una implicación se obtiene por sustracción, y la otra mediante la identidad \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v|. \] Esto también abarca los exponentes nulos. Como todos los demás exponentes permanecen iguales, \(G_p\) es invariante en cada paso.
Por el apartado (a), los números finales son \(M\) y \(2025\) copias de \(1\). Por tanto, el valor final de este invariante es \[ G_p=\operatorname{mcd}\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] Comparando los valores inicial y final obtenemos, para todo primo \(p\), \[ v_p(M)=\operatorname{mcd}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] La unicidad de la factorización en primos da ahora la fórmula indicada para \(M\), que depende únicamente de los números iniciales. Esto demuestra (b).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2026 · 问题 1
黑板上写有 \(2026\) 个大于 \(1\) 的整数,允许有相同的数。在一次操作中,孔夫子选取黑板上两个不同位置的整数 \(m>1\) 和 \(n>1\),并将这两个整数替换成 \[ \gcd(m,n)\qquad\text{和}\qquad\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}{\gcd(m,n)}. \] 只要能够进行这样的操作他便继续操作。
(1) 证明:不论孔夫子如何选择,在有限次操作后,黑板上恰有一个大于 \(1\) 的整数,记此数为 \(M\)。
(2) 证明:整数 \(M\) 的值不依赖于孔夫子的选择。
(注:\(\gcd(x,y)\) 表示正整数 \(x\) 和 \(y\) 的最大公约数,\(\operatorname{lcm}(x,y)\) 表示 \(x\) 和 \(y\) 的最小公倍数。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
若初始整数为 \(a_1,\ldots,a_{2026}\),则 \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] 其中乘积遍历素数,\(v_p(a)\) 表示 \(a\) 中素因子 \(p\) 的指数。
解答
(a) 设 \(P\) 为黑板上当前所有数的乘积,\(k\) 为其中大于 \(1\) 的数的个数。我们证明正整数 \(P+k\) 在每次操作中都严格减小。
设选取的数为 \(m,n>1\),并令 \(d=\gcd(m,n)\)。替换后的两个数的乘积为 \[ d\cdot\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}d =\operatorname{lcm}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] 因此,黑板上所有数的新乘积为 \(P/d\)。此外,\(k\) 不会增加,因为两个大于 \(1\) 的数被替换成了两个正整数。
若 \(d>1\),则乘积 \(P\) 严格减小。若 \(d=1\),则替换后的两个数为 \(1\) 和 \(mn>1\),所以 \(P\) 不变,而 \(k\) 减少一。因此,无论哪种情况,\(P+k\) 都严格减小。由此可知,任何操作序列都是有限的。
黑板上始终至少有一个大于 \(1\) 的数:在任意一次操作中,替换后的两个数的乘积为 \(\operatorname{lcm}(m,n)>1\)。当无法继续操作时,不可能还有两个大于 \(1\) 的数。因此,最终恰好剩下一个这样的数。
(b) 固定一个素数 \(p\)。对于黑板上当前的数 \(b_1,\ldots,b_{2026}\),考虑 \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] 其中约定全为零的一列数的最大公约数为 \(0\)。
若选取的两个数中素因子 \(p\) 的指数为 \(u=v_p(m)\) 和 \(v=v_p(n)\),则替换后的两个数中该素因子的指数为 \[ \min(u,v) \quad\text{和}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] \(u,v\) 的公约数恰好就是 \(\min(u,v),|u-v|\) 的公约数:一个方向由相减可得,另一个方向由恒等式 \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v| \] 可得。这也涵盖了指数为零的情形。由于其余所有指数保持不变,\(G_p\) 在每次操作下均保持不变。
由 (a),最终黑板上的数为 \(M\) 和 \(2025\) 个 \(1\)。因此,该不变量的最终值为 \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] 比较初始值与最终值可得,对每个素数 \(p\),都有 \[ v_p(M)=\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] 由素因数分解的唯一性即得答案中给出的 \(M\) 的公式,它仅依赖于初始的数。这就证明了 (b)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2026 · Задача 1
Доска разделена на 2026 частей. В каждой части написано по одному целому числу, большему 1 (числа на доске не обязательно различны). Время от времени Пафнутий выполняет следующие действия. Он выбирает две различные части доски, числа в которых больше 1. Обозначим число в первой из частей через \(m\), а во второй — через \(n\). Пафнутий заменяет эти два числа на числа \[ \operatorname{НОД}(m,n)\qquad\text{и}\qquad\frac{\operatorname{НОК}(m,n)}{\operatorname{НОД}(m,n)}. \] Он продолжает эти действия, пока возможно.
(a) Докажите, что независимо от действий Пафнутия рано или поздно только в одной из частей будет написано число, большее 1. Обозначим это число через \(M\).
(b) Докажите, что значение \(M\) не зависит от действий Пафнутия.
(Здесь \(\operatorname{НОД}(x,y)\) обозначает наибольший общий делитель целых положительных чисел \(x\) и \(y\), а \(\operatorname{НОК}(x,y)\) обозначает наименьшее общее кратное \(x\) и \(y\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Если исходные числа равны \(a_1,\ldots,a_{2026}\), то \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\operatorname{НОД}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] где произведение берётся по простым числам, а \(v_p(a)\) обозначает показатель степени \(p\) в разложении числа \(a\).
Решение
(a) Пусть \(P\) — произведение всех чисел, находящихся в данный момент на доске, а \(k\) — количество среди них чисел, больших \(1\). Покажем, что положительное целое число \(P+k\) строго уменьшается при каждом действии.
Пусть выбраны числа \(m,n>1\), и положим \(d=\operatorname{НОД}(m,n)\). Произведение чисел, которыми они заменяются, равно \[ d\cdot\frac{\operatorname{НОК}(m,n)}d =\operatorname{НОК}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] Таким образом, новое произведение всех чисел на доске равно \(P/d\). Кроме того, \(k\) не может увеличиться, поскольку два числа, больших \(1\), заменяются двумя положительными целыми числами.
Если \(d>1\), то произведение \(P\) строго уменьшается. Если \(d=1\), то числа заменяются на \(1\) и \(mn>1\), поэтому \(P\) не меняется, а \(k\) уменьшается на единицу. Следовательно, в обоих случаях \(P+k\) строго уменьшается. Значит, любая последовательность действий конечна.
На доске всегда есть хотя бы одно число, большее \(1\): при любом действии произведение двух новых чисел равно \(\operatorname{НОК}(m,n)>1\). Когда дальнейшие действия невозможны, на доске не может быть двух чисел, больших \(1\). Поэтому остаётся ровно одно такое число.
(b) Зафиксируем простое число \(p\). Для текущих чисел на доске \(b_1,\ldots,b_{2026}\) рассмотрим \[ G_p=\operatorname{НОД}\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] считая, что НОД набора, состоящего только из нулей, равен \(0\).
Если показатели степени \(p\) в выбранных числах равны \(u=v_p(m)\) и \(v=v_p(n)\), то в новых числах эти показатели равны \[ \min(u,v) \quad\text{и}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] Общие делители \(u,v\) — это в точности общие делители \(\min(u,v),|u-v|\): одно направление следует из вычитания, а другое — из тождества \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v|. \] Это рассуждение охватывает и нулевые показатели. Поскольку все остальные показатели остаются неизменными, \(G_p\) сохраняется при каждом действии.
По пункту (a), в конце на доске находятся \(M\) и \(2025\) единиц. Поэтому конечное значение этого инварианта равно \[ G_p=\operatorname{НОД}\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] Сравнивая начальное и конечное значения, для каждого простого \(p\) получаем \[ v_p(M)=\operatorname{НОД}\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] Из единственности разложения на простые множители теперь следует указанная формула для \(M\), зависящая только от исходных чисел. Это доказывает пункт (b).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2026 · المسألة 1
لدينا 2026 عدد صحيح أكبر من 1 مكتوبة على السبورة ليست بالضرورة مختلفة. في الحركة الواحدة، يختار كونفوشس عددين صحيحين \(m>1\) و \(n>1\) من مكانين مختلفين على السبورة ويستبدلهما بالعددين \[ \gcd(m,n),\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}{\gcd(m,n)}. \] ويستمر بالقيام بالحركة طالما يمكنه ذلك.
-
أثبت أنه، بعد عدد منته من الحركات، سيبقى بالضبط عدد واحد \(M\) أكبر من 1، بغض النظر عن طريقة الحركات التي يقوم بها كونفوشس.
-
أثبت أن قيمة \(M\) لا تعتمد على حركات كونفوشس.
ملاحظة: نعرف \(\gcd(x,y)\) على أنه أكبر قاسم مشترك للعددين الصحيحين الموجبين \(x\) و \(y\)، ونعرف \(\operatorname{lcm}(x,y)\) على أنه أصغر مضاعف مشترك للعددين الصحيحين الموجبين \(x\) و \(y\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
إذا كانت الأعداد الابتدائية هي \(a_1,\ldots,a_{2026}\)، فإن \[ M=\prod_{p\mid a_1a_2\cdots a_{2026}} p^{\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr)}, \] حيث يؤخذ الجداء على الأعداد الأولية، ويرمز \(v_p(a)\) إلى أسّ \(p\) في تحليل \(a\) إلى عوامل أولية.
الحل
(١) ليكن \(P\) جداء جميع الأعداد الموجودة حاليًا على السبورة، وليكن \(k\) عدد الأعداد التي تزيد على \(1\) منها. نثبت أن العدد الصحيح الموجب \(P+k\) يتناقص تناقصًا صارمًا في كل حركة.
افترض أن العددين المختارين هما \(m,n>1\)، وضع \(d=\gcd(m,n)\). جداء العددين اللذين يحلان محلهما هو \[ d\cdot\frac{\operatorname{lcm}(m,n)}d =\operatorname{lcm}(m,n)=\frac{mn}{d}. \] إذن الجداء الجديد لجميع أعداد السبورة هو \(P/d\). كذلك، لا يمكن أن يزيد \(k\)، إذ يُستبدل عددان أكبر من \(1\) بعددين صحيحين موجبين.
إذا كان \(d>1\)، فإن الجداء \(P\) يتناقص تناقصًا صارمًا. وإذا كان \(d=1\)، فإن العددين البديلين هما \(1\) و\(mn>1\)، فيبقى \(P\) دون تغيير وينقص \(k\) بمقدار واحد. ومن ثم يتناقص \(P+k\) تناقصًا صارمًا في كلتا الحالتين. وبالتالي فإن كل سلسلة من الحركات منتهية.
يوجد دائمًا عدد واحد على الأقل أكبر من \(1\): ففي أي حركة يكون جداء العددين البديلين هو \(\operatorname{lcm}(m,n)>1\). وعندما لا تعود أي حركة ممكنة، لا يمكن أن يوجد عددان أكبر من \(1\). لذلك يبقى بالضبط عدد واحد من هذا القبيل.
(٢) ثبّت عددًا أوليًا \(p\). ولأعداد السبورة الحالية \(b_1,\ldots,b_{2026}\)، اعتبر \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(b_1),\ldots,v_p(b_{2026})\bigr), \] مع اعتماد الاصطلاح القائل إن القاسم المشترك الأكبر لقائمة جميع عناصرها أصفار هو \(0\).
إذا كان أسّا \(p\) في العددين المختارين هما \(u=v_p(m)\) و\(v=v_p(n)\)، فإن أسّيه في العددين البديلين هما \[ \min(u,v) \quad\text{و}\quad \max(u,v)-\min(u,v)=|u-v|. \] القواسم المشتركة للعددين \(u,v\) هي بالضبط القواسم المشتركة للعددين \(\min(u,v),|u-v|\): ينتج أحد الاتجاهين بالطرح، وينتج الآخر من المتطابقة \[ \max(u,v)=\min(u,v)+|u-v|. \] ويشمل ذلك أيضًا الأسس الصفرية. وبما أن جميع الأسس الأخرى تبقى دون تغيير، فإن \(G_p\) ثابت تحت كل حركة.
وفقًا للجزء (١)، تكون الأعداد النهائية هي \(M\) و\(2025\) نسخة من \(1\). لذا فإن القيمة النهائية لهذا المقدار الثابت هي \[ G_p=\gcd\bigl(v_p(M),0,\ldots,0\bigr)=v_p(M). \] وبمقارنة القيمتين الابتدائية والنهائية نحصل، لكل عدد أولي \(p\)، على \[ v_p(M)=\gcd\bigl(v_p(a_1),\ldots,v_p(a_{2026})\bigr). \] ومن وحدانية التحليل إلى عوامل أولية نحصل الآن على الصيغة المذكورة لـ\(M\)، التي تعتمد فقط على الأعداد الابتدائية. وهذا يثبت (٢).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.