IMO 2026 · Problem 6
Let \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) be an infinite sequence of positive integers greater than 1. Suppose that for all positive integers \(n\), the number \(a_{n+1}\) is the smallest positive integer greater than \(a_n\) such that \(\gcd(a_{n+1},a_i)>1\) for every \(i=1,2,\ldots,n\). Prove that there exist positive integers \(T\) and \(L\) such that \[ a_{n+T}=a_n+L \] for every positive integer \(n\).
(Note that \(\gcd(x,y)\) denotes the greatest common divisor of positive integers \(x\) and \(y\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We may take \(L\) to be the product of all primes at most \(a_1\).
Put \(A=a_1\) and \(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\). The sequence is strictly increasing, hence unbounded. Its defining rule gives the following observation:
If \(x\ge A\) and \(\gcd(x,a_j)>1\) for every term \(a_j<x\), then \(x\in S\).
Indeed, otherwise there would be consecutive terms \(a_k<x<a_{k+1}\), and \(x\) would be an admissible choice smaller than \(a_{k+1}\), a contradiction.
For a positive integer \(x\), define \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ prime}\\p\mid x}}p, \] where an empty product is \(1\). Every \(r(a_i)\) is greater than \(1\): this is immediate for \(i=1\), and for \(i>1\) it follows from \(\gcd(a_i,A)>1\).
We claim that \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{for all }i,j. \tag{1} \] Suppose otherwise, and choose the smallest \(n\) for which there is an \(i<n\) with \[ \gcd(r(a_i),r(a_n))=1. \] Since \(\gcd(a_i,a_n)>1\), these two terms have a common prime divisor \(p>A\).
Write \(d=r(a_i)>1\), choose a prime \(q\mid d\), and let \[ b=dq^k, \] where \(k\ge0\) is the smallest integer for which \(dq^k\ge A\). We show that \(b<a_i\). Since \(pd\mid a_i\), if \(k=0\), then \[ b=d<pd\le a_i. \] If \(k\ge1\), minimality of \(k\) gives \(dq^{k-1}<A\), so \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] Thus \(A\le b<a_i\), and the prime divisors of \(b\) are exactly those of \(d\).
By the minimality of \(n\), for every \(j<i\) we have \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1. \] Consequently, \(\gcd(b,a_j)>1\) for every \(j<i\). In particular, \(b\) shares a prime divisor with every sequence term smaller than \(b\). Our observation therefore shows that \(b\in S\).
However, all prime divisors of \(b\) divide \(r(a_i)\), which is coprime to \(r(a_n)\). As those primes are at most \(A\), none divides \(a_n\). Hence \[ \gcd(b,a_n)=1, \] contradicting the defining condition, since \(b<a_i<a_n\) and both \(b,a_n\) are terms. This proves (1).
Now, for every integer \(x\ge A\), we have \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \gcd(r(x),r(a_j))>1\ \text{for every }j. \tag{2} \] The forward implication follows from (1), including the case \(x=a_j\), since \(r(a_j)>1\). For the reverse implication, the stated condition implies \(\gcd(x,a_j)>1\) for every \(j\), so our observation applies.
Set \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ prime}}}p. \] For each prime \(p\le A\), we have \(p\mid x\) if and only if \(p\mid x+L\). Therefore \(r(x+L)=r(x)\), and (2) yields \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
Finally, let \(T\) be the number of terms in the interval \([A,A+L)\). This is a positive integer because \(A\in S\). By (3), translation by \(L\) is an order-preserving bijection from \(S\) onto \(S\cap[A+L,\infty)\). The latter set is obtained by removing precisely the first \(T\) terms of the sequence. Comparing their increasing enumerations gives \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{for every positive integer }n.} \]
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2026 · Aufgabe 6
Sei \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) eine unendliche Folge ganzer Zahlen größer als 1. Für alle positiven ganzen Zahlen \(n\) sei dabei \(a_{n+1}\) die kleinste ganze Zahl größer als \(a_n\) mit \(\operatorname{ggT}(a_{n+1},a_i)>1\) für alle \(i=1,2,\ldots,n\). Man zeige, dass es positive ganze Zahlen \(T\) und \(L\) gibt, die \[ a_{n+T}=a_n+L \] für alle positiven ganzen Zahlen \(n\) erfüllen.
(Dabei bezeichnet \(\operatorname{ggT}(x,y)\) den größten gemeinsamen Teiler der positiven ganzen Zahlen \(x\) und \(y\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir können für \(L\) das Produkt aller Primzahlen wählen, die höchstens \(a_1\) sind.
Wir setzen \(A=a_1\) und \(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\). Die Folge ist streng monoton wachsend und daher unbeschränkt. Ihre Definitionsvorschrift liefert die folgende Beobachtung:
Ist \(x\ge A\) und gilt \(\operatorname{ggT}(x,a_j)>1\) für jedes Folgenglied \(a_j<x\), so ist \(x\in S\).
Andernfalls gäbe es nämlich aufeinanderfolgende Glieder \(a_k<x<a_{k+1}\), und \(x\) wäre eine zulässige Wahl kleiner als \(a_{k+1}\), ein Widerspruch.
Für eine positive ganze Zahl \(x\) definieren wir \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ prim}\\p\mid x}}p, \] wobei ein leeres Produkt gleich \(1\) ist. Jedes \(r(a_i)\) ist größer als \(1\): Für \(i=1\) ist dies unmittelbar klar, und für \(i>1\) folgt es aus \(\operatorname{ggT}(a_i,A)>1\).
Wir behaupten: \[ \operatorname{ggT}(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{für alle }i,j. \tag{1} \] Angenommen, dies wäre falsch, und wir wählen das kleinste \(n\), für das es ein \(i<n\) gibt mit \[ \operatorname{ggT}(r(a_i),r(a_n))=1. \] Wegen \(\operatorname{ggT}(a_i,a_n)>1\) haben diese beiden Glieder einen gemeinsamen Primteiler \(p>A\).
Wir setzen \(d=r(a_i)>1\), wählen eine Primzahl \(q\mid d\) und setzen \[ b=dq^k, \] wobei \(k\ge0\) die kleinste ganze Zahl ist, für die \(dq^k\ge A\) gilt. Wir zeigen, dass \(b<a_i\). Wegen \(pd\mid a_i\) gilt im Fall \(k=0\) \[ b=d<pd\le a_i. \] Ist \(k\ge1\), so liefert die Minimalität von \(k\) die Ungleichung \(dq^{k-1}<A\), also \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] Somit gilt \(A\le b<a_i\), und die Primteiler von \(b\) sind genau diejenigen von \(d\).
Wegen der Minimalität von \(n\) gilt für jedes \(j<i\) \[ \operatorname{ggT}(r(a_i),r(a_j))>1. \] Folglich gilt \(\operatorname{ggT}(b,a_j)>1\) für jedes \(j<i\). Insbesondere hat \(b\) mit jedem Folgenglied kleiner als \(b\) einen gemeinsamen Primteiler. Unsere Beobachtung zeigt daher, dass \(b\in S\).
Alle Primteiler von \(b\) teilen jedoch \(r(a_i)\), das zu \(r(a_n)\) teilerfremd ist. Da diese Primzahlen höchstens \(A\) sind, teilt keine von ihnen \(a_n\). Daher gilt \[ \operatorname{ggT}(b,a_n)=1, \] im Widerspruch zur definierenden Bedingung, da \(b<a_i<a_n\) gilt und sowohl \(b,a_n\) Folgenglieder sind. Damit ist (1) bewiesen.
Nun gilt für jede ganze Zahl \(x\ge A\) \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{ggT}(r(x),r(a_j))>1\ \text{für jedes }j. \tag{2} \] Die Hinrichtung folgt aus (1), einschließlich des Falls \(x=a_j\), da \(r(a_j)>1\) gilt. Für die Rückrichtung impliziert die angegebene Bedingung \(\operatorname{ggT}(x,a_j)>1\) für jedes \(j\), sodass unsere Beobachtung anwendbar ist.
Wir setzen \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ prim}}}p. \] Für jede Primzahl \(p\le A\) gilt \(p\mid x\) genau dann, wenn \(p\mid x+L\). Daher ist \(r(x+L)=r(x)\), und (2) liefert \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
Schließlich sei \(T\) die Anzahl der Glieder im Intervall \([A,A+L)\). Dies ist eine positive ganze Zahl, da \(A\in S\) gilt. Nach (3) ist die Verschiebung um \(L\) eine ordnungserhaltende Bijektion von \(S\) auf \(S\cap[A+L,\infty)\). Die letztere Menge entsteht, indem genau die ersten \(T\) Glieder der Folge entfernt werden. Der Vergleich ihrer aufsteigenden Aufzählungen ergibt \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{für jede positive ganze Zahl }n.} \]
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2026 · Soru 6
\(a_1,a_2,a_3,\ldots\) dizisi 1’den büyük pozitif tam sayılardan oluşan bir sonsuz dizi olsun. Her \(n\) pozitif tam sayısı için; \(a_{n+1}\) sayısı, her \(i=1,2,\ldots,n\) için \(\operatorname{ebob}(a_{n+1},a_i)>1\) koşulunu sağlayan ve \(a_n\) sayısından büyük olan en küçük pozitif tam sayıya eşittir. Öyle \(T\) ve \(L\) pozitif tam sayılarının bulunduğunu gösteriniz ki, her \(n\) pozitif tam sayısı için \[ a_{n+T}=a_n+L \] koşulu sağlanır.
(\(\operatorname{ebob}(x,y)\) ile \(x\) ve \(y\) sayılarının en büyük ortak böleni gösterilmektedir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(L\)’yi, \(a_1\)’den büyük olmayan tüm asal sayıların çarpımı olarak alabiliriz.
\(A=a_1\) ve \(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\) olsun. Dizi kesin artandır, dolayısıyla sınırsızdır. Diziyi tanımlayan kural şu gözlemi verir:
\(x\ge A\) ve her \(a_j<x\) terimi için \(\operatorname{ebob}(x,a_j)>1\) ise, \(x\in S\) olur.
Gerçekten de aksi hâlde \(a_k<x<a_{k+1}\) olacak şekilde ardışık terimler bulunurdu ve \(x\), \(a_{k+1}\)’den küçük, koşula uygun bir seçim olurdu; bu bir çelişkidir.
Bir \(x\) pozitif tam sayısı için \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ asal}\\p\mid x}}p \] olarak tanımlayalım; burada boş çarpım \(1\)’dir. Her \(r(a_i)\), \(1\)’den büyüktür: bu, \(i=1\) için açıktır; \(i>1\) için ise \(\operatorname{ebob}(a_i,A)>1\) olmasından çıkar.
\[ \operatorname{ebob}(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{tüm indis çiftleri için }i,j \tag{1} \] olduğunu iddia ediyoruz. Aksini varsayalım ve bir \(i<n\) için \[ \operatorname{ebob}(r(a_i),r(a_n))=1 \] olmasını sağlayan en küçük \(n\)’yi seçelim. \(\operatorname{ebob}(a_i,a_n)>1\) olduğundan bu iki terimin \(p>A\) olan bir ortak asal böleni vardır.
\(d=r(a_i)>1\) yazalım, bir \(q\mid d\) asal sayısı seçelim ve \[ b=dq^k \] olsun; burada \(k\ge0\), \(dq^k\ge A\) koşulunu sağlayan en küçük tam sayıdır. \(b<a_i\) olduğunu göstereceğiz. \(pd\mid a_i\) olduğundan, \(k=0\) ise \[ b=d<pd\le a_i. \] \(k\ge1\) ise \(k\)’nin en küçük olması \(dq^{k-1}<A\) verir; dolayısıyla \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] Böylece \(A\le b<a_i\) olur ve \(b\)’nin asal bölenleri tam olarak \(d\)’nin asal bölenleridir.
\(n\)’nin en küçük olması nedeniyle, her \(j<i\) için \[ \operatorname{ebob}(r(a_i),r(a_j))>1. \] Dolayısıyla her \(j<i\) için \(\operatorname{ebob}(b,a_j)>1\) olur. Özellikle \(b\), dizinin \(b\)’den küçük her terimiyle ortak bir asal bölene sahiptir. Bu nedenle gözlemimiz \(b\in S\) olduğunu gösterir.
Ancak \(b\)’nin tüm asal bölenleri, \(r(a_n)\) ile aralarında asal olan \(r(a_i)\)’yi böler. Bu asal sayılar en fazla \(A\) olduğundan hiçbiri \(a_n\)’yi bölmez. Böylece \[ \operatorname{ebob}(b,a_n)=1 \] olur; \(b<a_i<a_n\) ve hem \(b\) hem de \(a_n\) dizinin terimleri olduğundan bu, tanımlayıcı koşulla çelişir. Böylece (1) kanıtlanır.
Şimdi, her \(x\ge A\) tam sayısı için \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{ebob}(r(x),r(a_j))>1\ \text{her indis için }j. \tag{2} \] İleri yöndeki gerektirme (1)’den çıkar; \(r(a_j)>1\) olduğundan \(x=a_j\) durumunu da kapsar. Ters yöndeki gerektirme için, belirtilen koşul her \(j\) için \(\operatorname{ebob}(x,a_j)>1\) olmasını gerektirir; dolayısıyla gözlemimiz uygulanır.
\[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ asal}}}p \] olarak tanımlayalım. Her \(p\le A\) asal sayısı için \(p\mid x\) olması ile \(p\mid x+L\) olması denktir. Dolayısıyla \(r(x+L)=r(x)\) olur ve (2) bize \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A) \tag{3} \] verir.
Son olarak, \(T\), \([A,A+L)\) aralığındaki terimlerin sayısı olsun. \(A\in S\) olduğundan bu bir pozitif tam sayıdır. (3)’e göre \(L\) kadar öteleme, \(S\)’den \(S\cap[A+L,\infty)\)’ye sırayı koruyan bir bire bir eşlemedir. İkinci küme, dizinin tam olarak ilk \(T\) terimi çıkarılarak elde edilir. Bu kümelerin artan sıralamalarını karşılaştırarak \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{her pozitif tam sayı için }n} \] elde ederiz.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2026 · Problema 6
Sea \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) una sucesión infinita de enteros positivos mayores que 1. Supongamos que, para todo entero positivo \(n\), el número \(a_{n+1}\) es el menor entero positivo mayor que \(a_n\) tal que \(\operatorname{mcd}(a_{n+1},a_i)>1\) para todo \(i=1,2,\ldots,n\). Demostrar que existen enteros positivos \(T\) y \(L\) tales que \[ a_{n+T}=a_n+L \] para todo entero positivo \(n\).
(Nota: \(\operatorname{mcd}(a,b)\) denota el máximo común divisor de los enteros positivos \(a\) y \(b\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Podemos tomar como \(L\) el producto de todos los primos menores o iguales que \(a_1\).
Pongamos \(A=a_1\) y \(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\). La sucesión es estrictamente creciente y, por tanto, no acotada. Su regla de definición da la siguiente observación:
Si \(x\ge A\) y \(\operatorname{mcd}(x,a_j)>1\) para todo término \(a_j<x\), entonces \(x\in S\).
En efecto, en caso contrario habría términos consecutivos \(a_k<x<a_{k+1}\), y \(x\) sería una elección admisible menor que \(a_{k+1}\), una contradicción.
Para un entero positivo \(x\), definamos \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ primo}\\p\mid x}}p, \] donde un producto vacío es \(1\). Todo \(r(a_i)\) es mayor que \(1\): esto es inmediato para \(i=1\), y para \(i>1\) se deduce de \(\operatorname{mcd}(a_i,A)>1\).
Afirmamos que \[ \operatorname{mcd}(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{para todos }i,j. \tag{1} \] Supongamos lo contrario y elijamos el menor \(n\) para el que existe un \(i<n\) con \[ \operatorname{mcd}(r(a_i),r(a_n))=1. \] Como \(\operatorname{mcd}(a_i,a_n)>1\), estos dos términos tienen un divisor primo común \(p>A\).
Escribamos \(d=r(a_i)>1\), elijamos un primo \(q\mid d\), y sea \[ b=dq^k, \] donde \(k\ge0\) es el menor entero para el que \(dq^k\ge A\). Mostraremos que \(b<a_i\). Como \(pd\mid a_i\), si \(k=0\), entonces \[ b=d<pd\le a_i. \] Si \(k\ge1\), la minimalidad de \(k\) da \(dq^{k-1}<A\), de modo que \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] Así pues, \(A\le b<a_i\), y los divisores primos de \(b\) son exactamente los de \(d\).
Por la minimalidad de \(n\), para todo \(j<i\) tenemos \[ \operatorname{mcd}(r(a_i),r(a_j))>1. \] En consecuencia, \(\operatorname{mcd}(b,a_j)>1\) para todo \(j<i\). En particular, \(b\) comparte un divisor primo con cada término de la sucesión menor que \(b\). Por tanto, nuestra observación muestra que \(b\in S\).
Sin embargo, todos los divisores primos de \(b\) dividen a \(r(a_i)\), que es coprimo con \(r(a_n)\). Como esos primos son menores o iguales que \(A\), ninguno divide a \(a_n\). Por tanto, \[ \operatorname{mcd}(b,a_n)=1, \] lo que contradice la condición de definición, pues \(b<a_i<a_n\) y ambos números \(b,a_n\) son términos. Esto demuestra (1).
Ahora, para todo entero \(x\ge A\), tenemos \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{mcd}(r(x),r(a_j))>1\ \text{para todo }j. \tag{2} \] La implicación directa se deduce de (1), incluido el caso \(x=a_j\), pues \(r(a_j)>1\). Para la implicación recíproca, la condición indicada implica \(\operatorname{mcd}(x,a_j)>1\) para todo \(j\), de modo que se aplica nuestra observación.
Pongamos \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ primo}}}p. \] Para cada primo \(p\le A\), tenemos \(p\mid x\) si y solo si \(p\mid x+L\). Por tanto, \(r(x+L)=r(x)\), y (2) da \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
Finalmente, sea \(T\) el número de términos en el intervalo \([A,A+L)\). Es un entero positivo porque \(A\in S\). Por (3), la traslación por \(L\) es una biyección que preserva el orden de \(S\) sobre \(S\cap[A+L,\infty)\). Este último conjunto se obtiene eliminando precisamente los primeros \(T\) términos de la sucesión. Comparando sus enumeraciones crecientes obtenemos \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{para todo entero positivo }n.} \]
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2026 · 问题 6
设无穷序列 \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) 的每一项均是大于 \(1\) 的正整数。已知对每个正整数 \(n\),\(a_{n+1}\) 是大于 \(a_n\) 的所有正整数中,满足 \(\gcd(a_{n+1},a_i)>1\) 对每个 \(i=1,2,\ldots,n\) 均成立的最小正整数。 证明:存在正整数 \(T\) 和 \(L\),使得对任意正整数 \(n\),均有 \[ a_{n+T}=a_n+L. \]
(注:\(\gcd(x,y)\) 表示正整数 \(x\) 和 \(y\) 的最大公约数。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们可以取 \(L\) 为所有不超过 \(a_1\) 的素数的乘积。
令 \(A=a_1\),\(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\)。该序列严格递增,因而无界。由其定义规则可得以下观察:
若 \(x\ge A\),且对每个满足 \(a_j<x\) 的项 \(a_j\),都有 \(\gcd(x,a_j)>1\),则 \(x\in S\)。
事实上,否则就存在相邻两项使 \(a_k<x<a_{k+1}\),而 \(x\) 将是一个比 \(a_{k+1}\) 更小的合乎条件的选择,矛盾。
对于正整数 \(x\),定义 \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ 为素数}\\p\mid x}}p, \] 其中空乘积为 \(1\)。每个 \(r(a_i)\) 都大于 \(1\):当 \(i=1\) 时,这是显然的;当 \(i>1\) 时,由 \(\gcd(a_i,A)>1\) 可得。
我们断言 \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{对所有 }i,j. \tag{1} \] 反设不然,并选取最小的 \(n\),使存在 \(i<n\) 满足 \[ \gcd(r(a_i),r(a_n))=1. \] 由于 \(\gcd(a_i,a_n)>1\),这两项有一个公共素因子 \(p>A\)。
记 \(d=r(a_i)>1\),选取一个素数 \(q\mid d\),并令 \[ b=dq^k, \] 其中 \(k\ge0\) 是使 \(dq^k\ge A\) 成立的最小整数。我们证明 \(b<a_i\)。由于 \(pd\mid a_i\),若 \(k=0\),则 \[ b=d<pd\le a_i. \] 若 \(k\ge1\),由 \(k\) 的最小性可得 \(dq^{k-1}<A\),所以 \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] 因此 \(A\le b<a_i\),且 \(b\) 的素因子恰好就是 \(d\) 的素因子。
由 \(n\) 的最小性,对每个 \(j<i\),都有 \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1. \] 所以,对每个 \(j<i\),都有 \(\gcd(b,a_j)>1\)。特别地,\(b\) 与序列中每个小于 \(b\) 的项都有公共素因子。因此,由前面的观察可知 \(b\in S\)。
然而,\(b\) 的所有素因子都整除 \(r(a_i)\),而 \(r(a_i)\) 与 \(r(a_n)\) 互素。由于这些素数均不超过 \(A\),它们都不整除 \(a_n\)。因此, \[ \gcd(b,a_n)=1, \] 这与序列的定义条件矛盾,因为 \(b<a_i<a_n\),且 \(b,a_n\) 都是序列中的项。这就证明了 (1)。
现在,对于每个整数 \(x\ge A\),都有 \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \gcd(r(x),r(a_j))>1\ \text{对每个 }j. \tag{2} \] 正向推论由 (1) 得出,其中也包括 \(x=a_j\) 的情形,因为 \(r(a_j)>1\)。对于反向推论,所述条件推出对每个 \(j\),都有 \(\gcd(x,a_j)>1\),所以可以应用前面的观察。
令 \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ 为素数}}}p. \] 对每个素数 \(p\le A\),有 \(p\mid x\) 当且仅当 \(p\mid x+L\)。因此 \(r(x+L)=r(x)\),由 (2) 得到 \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
最后,设 \(T\) 为区间 \([A,A+L)\) 内的项数。由于 \(A\in S\),这是一个正整数。由 (3),加上 \(L\) 的平移给出了从 \(S\) 到 \(S\cap[A+L,\infty)\) 的保序双射。后一个集合恰好是从序列中删去前 \(T\) 项后得到的。比较它们按递增顺序排列的各项,便得到 \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{对每个正整数 }n.} \]
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2026 · Задача 6
Пусть \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) — бесконечная последовательность целых чисел, больших 1. Оказалось, что для каждого целого положительного числа \(n\) выполняется следующее условие: наименьшее целое число \(t>a_n\), для которого \(\operatorname{НОД}(t,a_i)>1\) при всех \(i=1,2,\ldots,n\), равно \(a_{n+1}\). Докажите, что найдутся такие целые положительные числа \(T\) и \(L\), что \[ a_{n+T}=a_n+L \] при всех целых положительных \(n\).
(Напомним, что \(\operatorname{НОД}(x,y)\) обозначает наибольший общий делитель чисел \(x\) и \(y\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
В качестве \(L\) можно взять произведение всех простых чисел, не превосходящих \(a_1\).
Положим \(A=a_1\) и \(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\). Последовательность строго возрастает, а значит, не ограничена сверху. Из определяющего её правила следует такое наблюдение:
Если \(x\ge A\) и \(\operatorname{НОД}(x,a_j)>1\) для каждого члена \(a_j<x\), то \(x\in S\).
Действительно, иначе нашлись бы соседние члены \(a_k<x<a_{k+1}\), и \(x\) было бы допустимым числом, меньшим \(a_{k+1}\), — противоречие.
Для положительного целого числа \(x\) определим \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ простое}\\p\mid x}}p, \] где пустое произведение равно \(1\). Каждое \(r(a_i)\) больше \(1\): при \(i=1\) это очевидно, а при \(i>1\) следует из \(\operatorname{НОД}(a_i,A)>1\).
Утверждаем, что \[ \operatorname{НОД}(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{для всех }i,j. \tag{1} \] Предположим противное и выберем наименьшее \(n\), для которого существует \(i<n\) такое, что \[ \operatorname{НОД}(r(a_i),r(a_n))=1. \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(a_i,a_n)>1\), эти два члена имеют общий простой делитель \(p>A\).
Обозначим \(d=r(a_i)>1\), выберем простой делитель \(q\mid d\) и положим \[ b=dq^k, \] где \(k\ge0\) — наименьшее целое число, для которого \(dq^k\ge A\). Покажем, что \(b<a_i\). Поскольку \(pd\mid a_i\), при \(k=0\) имеем \[ b=d<pd\le a_i. \] Если \(k\ge1\), то из минимальности \(k\) следует \(dq^{k-1}<A\), поэтому \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] Таким образом, \(A\le b<a_i\), а простые делители \(b\) — в точности простые делители \(d\).
По минимальности \(n\) для каждого \(j<i\) имеем \[ \operatorname{НОД}(r(a_i),r(a_j))>1. \] Следовательно, \(\operatorname{НОД}(b,a_j)>1\) для каждого \(j<i\). В частности, \(b\) имеет общий простой делитель с каждым членом последовательности, меньшим \(b\). Поэтому из нашего наблюдения следует, что \(b\in S\).
Однако все простые делители \(b\) делят \(r(a_i)\), которое взаимно просто с \(r(a_n)\). Поскольку эти простые числа не превосходят \(A\), ни одно из них не делит \(a_n\). Следовательно, \[ \operatorname{НОД}(b,a_n)=1, \] что противоречит определяющему условию, поскольку \(b<a_i<a_n\) и оба числа \(b,a_n\) являются членами последовательности. Это доказывает (1).
Теперь для каждого целого \(x\ge A\) имеем \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \operatorname{НОД}(r(x),r(a_j))>1\ \text{для каждого }j. \tag{2} \] Прямая импликация следует из (1), включая случай \(x=a_j\), поскольку \(r(a_j)>1\). Для обратной импликации заметим, что указанное условие влечёт \(\operatorname{НОД}(x,a_j)>1\) для каждого \(j\), поэтому применимо наше наблюдение.
Положим \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ простое}}}p. \] Для каждого простого \(p\le A\) условие \(p\mid x\) равносильно \(p\mid x+L\). Поэтому \(r(x+L)=r(x)\), и из (2) получаем \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
Наконец, пусть \(T\) — число членов последовательности в промежутке \([A,A+L)\). Это положительное целое число, поскольку \(A\in S\). По (3) сдвиг на \(L\) является сохраняющей порядок биекцией из \(S\) на \(S\cap[A+L,\infty)\). Последнее множество получается удалением ровно первых \(T\) членов последовательности. Сравнивая перечисления этих множеств в порядке возрастания, получаем \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{для каждого положительного целого }n.} \]
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2026 · المسألة 6
لتكن \(a_1,a_2,a_3,\ldots\) متتابعة غير منتهية من الأعداد الصحيحة الموجبة الأكبر من 1. افرض أنه لكل الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\)، العدد \(a_{n+1}\) هو أقل عدد صحيح موجب أكبر من \(a_n\) بحيث \(\gcd(a_{n+1},a_i)>1\) لكل \(i=1,2,\ldots,n\). أثبت أنه يوجد عددين صحيحين موجبين \(T\) و \(L\) بحيث \[ a_{n+T}=a_n+L \] لكل عدد صحيح موجب \(n\).
ملاحظة: نعرف \(\gcd(x,y)\) على أنه أكبر قاسم مشترك للعددين الصحيحين الموجبين \(x\) و \(y\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
يمكننا أخذ \(L\) جداء جميع الأعداد الأولية التي لا تزيد على \(a_1\).
ضع \(A=a_1\) و\(S=\{a_1,a_2,\ldots\}\). المتتابعة متزايدة تمامًا، ومن ثم فهي غير محدودة. وتعطي قاعدة تعريفها الملاحظة التالية:
إذا كان \(x\ge A\) و\(\gcd(x,a_j)>1\) لكل حدّ \(a_j<x\)، فإن \(x\in S\).
بالفعل، لولا ذلك لوجد حدّان متتاليان \(a_k<x<a_{k+1}\)، ولكان \(x\) اختيارًا مقبولًا أصغر من \(a_{k+1}\)، وهذا تناقض.
للعدد الصحيح الموجب \(x\)، نعرّف \[ r(x)=\prod_{\substack{p\le A\\ p\text{ أولي}\\p\mid x}}p, \] حيث الجداء الفارغ يساوي \(1\). كل \(r(a_i)\) أكبر من \(1\): وهذا مباشر عندما \(i=1\)، وعندما \(i>1\) ينتج من \(\gcd(a_i,A)>1\).
ندّعي أن \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1 \qquad\text{لكل }i,j. \tag{1} \] افترض خلاف ذلك، واختر أصغر \(n\) يوجد من أجله \(i<n\) بحيث \[ \gcd(r(a_i),r(a_n))=1. \] بما أن \(\gcd(a_i,a_n)>1\)، فإن لهذين الحدّين قاسمًا أوليًا مشتركًا \(p>A\).
اكتب \(d=r(a_i)>1\)، واختر عددًا أوليًا \(q\mid d\)، وليكن \[ b=dq^k, \] حيث \(k\ge0\) أصغر عدد صحيح يحقق \(dq^k\ge A\). نثبت أن \(b<a_i\). بما أن \(pd\mid a_i\)، فإذا كان \(k=0\)، فإن \[ b=d<pd\le a_i. \] وإذا كان \(k\ge1\)، فإن أصغرية \(k\) تعطي \(dq^{k-1}<A\)، ومن ثم \[ b<Aq\le Ad<pd\le a_i. \] إذن \(A\le b<a_i\)، والقواسم الأولية لـ\(b\) هي بالضبط قواسم \(d\) الأولية.
بأصغرية \(n\)، لدينا لكل \(j<i\) \[ \gcd(r(a_i),r(a_j))>1. \] وبالتالي، \(\gcd(b,a_j)>1\) لكل \(j<i\). وبخاصة، يشترك \(b\) في قاسم أولي مع كل حدّ من المتتابعة أصغر من \(b\). ولذلك تبيّن ملاحظتنا أن \(b\in S\).
لكن جميع القواسم الأولية لـ\(b\) تقسم \(r(a_i)\)، وهو أولي نسبيًا مع \(r(a_n)\). وبما أن هذه الأعداد الأولية لا تزيد على \(A\)، فإن أيًا منها لا يقسم \(a_n\). ومن ثم \[ \gcd(b,a_n)=1, \] وهذا يناقض شرط التعريف، إذ إن \(b<a_i<a_n\) وكلًا من \(b,a_n\) حدّ في المتتابعة. وهذا يثبت (1).
الآن، لكل عدد صحيح \(x\ge A\)، لدينا \[ x\in S \quad\Longleftrightarrow\quad \gcd(r(x),r(a_j))>1\ \text{لكل }j. \tag{2} \] ينتج الاتجاه المباشر من (1)، بما في ذلك الحالة \(x=a_j\)، إذ إن \(r(a_j)>1\). أما الاتجاه العكسي، فالشرط المذكور يستلزم \(\gcd(x,a_j)>1\) لكل \(j\)، ولذلك تنطبق ملاحظتنا.
ضع \[ L=\prod_{\substack{p\le A\\p\text{ أولي}}}p. \] لكل عدد أولي \(p\le A\)، لدينا \(p\mid x\) إذا وفقط إذا كان \(p\mid x+L\). ولذلك \(r(x+L)=r(x)\)، وتعطي (2) \[ x\in S\quad\Longleftrightarrow\quad x+L\in S \qquad(x\ge A). \tag{3} \]
أخيرًا، ليكن \(T\) عدد الحدود في الفترة \([A,A+L)\). وهو عدد صحيح موجب لأن \(A\in S\). وفقًا لـ(3)، فإن الإزاحة بمقدار \(L\) تقابل يحفظ الترتيب من \(S\) إلى \(S\cap[A+L,\infty)\). وتُستحصل المجموعة الأخيرة بحذف الحدود الـ\(T\) الأولى من المتتابعة بالضبط. وبمقارنة تعداديهما المتزايدين نحصل على \[ \boxed{a_{n+T}=a_n+L\qquad\text{لكل عدد صحيح موجب }n.} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.