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番外 · 题谱 · 2021 · P28

2021 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 2021 N4 number-theory

Alice is given a rational number r>1r>1 and a line with two points BRB \neq R, where point RR contains a red bead and point BB contains a blue bead. Alice plays a solitaire game by performing a sequence of moves. In every move, she chooses a (not necessarily positive) integer kk, and a bead to move. If that bead is placed at point XX, and the other bead is placed at YY, then Alice moves the chosen bead to point XX^{\prime} with YX=rkYX\overrightarrow{Y X^{\prime}}=r^{k} \overrightarrow{Y X}. Alice's goal is to move the red bead to the point BB. Find all rational numbers r>1r>1 such that Alice can reach her goal in at most 2021 moves.

给 Alice 一个有理数 r>1r>1 和一条有两个点 BRB \neq R 的直线,其中点 RR 包含一个红色珠子,点 BB 包含一个蓝色珠子。爱丽丝通过执行一系列动作来玩纸牌游戏。在每次移动中,她都会选择一个(不一定是正数)整数 kk 和一个要移动的珠子。如果该珠子放置在点 XX,而另一个珠子放置在 YY,则 Alice 将所选珠子移动到点 XX^{\prime},其中 YX=rkYX\overrightarrow{Y X^{\prime}}=r^{k} \overrightarrow{Y X}。 Alice 的目标是将红珠移动到点 BB。找到所有有理数 r>1r>1,使得 Alice 最多可以在 2021 步中达到她的目标。

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。2021 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?