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番外 · 题谱 · 2015 · P25

2015 IMO Shortlist N4

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 2015 N4 number-theory

Suppose that a0,a1,a_{0}, a_{1}, \ldots and b0,b1,b_{0}, b_{1}, \ldots are two sequences of positive integers satisfying a0,b02a_{0}, b_{0} \geq 2 and an+1=gcd(an,bn)+1,bn+1=lcm(an,bn)1a_{n+1}=\operatorname{gcd}\left(a_{n}, b_{n}\right)+1, \quad b_{n+1}=\operatorname{lcm}\left(a_{n}, b_{n}\right)-1 for all n0n \geq 0. Prove that the sequence (an)\left(a_{n}\right) is eventually periodic; in other words, there exist integers N0N \geq 0 and t>0t>0 such that an+t=ana_{n+t}=a_{n} for all nNn \geq N. (France)

假设 a0,a1,a_{0}, a_{1}, \ldotsb0,b1,b_{0}, b_{1}, \ldots 是满足 a0,b02a_{0}, b_{0} \geq 2an+1=gcd(an,bn)+1,的两个正整数序列bn+1=lcm(an,bn)1a_{n+1}=\operatorname{gcd}\left(a_{n}, b_{n}\right)+1, \quad 的两个正整数序列b_{n+1}=\operatorname{lcm}\left(a_{n}, b_{n}\right)-1 对于所有 n0n \geq 0。证明序列(an)\left(a_{n}\right)最终是周期性的;换句话说,存在整数 N0N \geq 0t>0t>0,使得所有 nNn \geq Nan+t=ana_{n+t}=a_{n} 。 (法国)

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。2015 年 IMO Shortlist N4 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?