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番外 · 题谱 · 2005 · P3

2005 IMO Shortlist S03

数论 · P3/P6 · 压轴题

题面据 IMO Shortlist 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。

IMO Shortlist 2005 S03 number-theory

This ISL 2005 problem has not been used in any TST I know. A pity, since it is a nice problem, but in its shortlist formulation, it is absolutely incomprehensible. Here is a mathematical restatement of the problem:

Let kk be a nonnegative integer.

A forest consists of rooted (i. e. oriented) trees. Each vertex of the forest is either a leaf or has two successors. A vertex vv is called an *extended successor* of a vertex uu if there is a chain of vertices u0=uu_{0}=u , u1u_{1} , u2u_{2} , ..., ut1u_{t-1} , ut=vu_{t}=v with t>0t>0 such that the vertex ui+1u_{i+1} is a successor of the vertex uiu_{i} for every integer ii with 0it10\leq i\leq t-1 . A vertex is called *dynastic* if it has two successors and each of these successors has at least kk extended successors.

Prove that if the forest has nn vertices, then there are at most nk+2\frac{n}{k+2} dynastic vertices.

据我所知,这个 ISL 2005 问题还没有在任何 TST 中使用过。遗憾的是,虽然这是一个很好的问题,但在其入围方案中,它绝对是不可理解的。这是该问题的数学重述:

kk 为非负整数。

森林由有根(即有向)的树木组成。森林的每个顶点要么是一片叶子,要么有两个后继者。如果存在顶点链 u0=uu_{0}=uu1u_{1}u2u_{2} 、 ...、 ut1u_{t-1}ut=vu_{t}=vt>0t>0 使得顶点 ui+1u_{i+1} 是该顶点的后继,则顶点 vv 称为顶点 uu 的*扩展后继* uiu_{i} 对于每个整数 ii0it10\leq i\leq t-1 。如果一个顶点有两个后继者,并且每个后继者至少有 kk 扩展后继者,则该顶点被称为“动态”。

证明如果森林有 nn 个顶点,则最多有 nk+2\frac{n}{k+2} 个王朝顶点。

提示 1

先看同余、整除、最大公因数和 p 进赋值。

提示 2

把整数条件转成同余方程、指数比较或下降过程。

提示 3

若要存在性,用构造;若要唯一性,用最小反例、无限下降或模限制。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2005 年 IMO Shortlist S03 可先归入数论:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?