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番外 · 题谱 · 2023 · P25

2023 IMO Shortlist N3

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 2023 N3 number-theory

For positive integers nn and k2k \geq 2 define Ek(n)E_{k}(n) as the greatest exponent rr such that krk^{r} divides nn !. Prove that there are infinitely many nn such that E10(n)>E9(n)E_{10}(n)>E_{9}(n) and infinitely many mm such that E10(m)<E9(m)E_{10}(m)<E_{9}(m). (Brazil) N4.\mathbf{N 4 .} Let a1,a2,,an,b1,b2,,bna_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}, b_{1}, b_{2}, \ldots, b_{n} be 2n2 n positive integers such that the n+1n+1 products a1a2a3an,b1a2a3anb1b2a3an,b1b2b3bn\begin{gathered} a_{1} a_{2} a_{3} \cdots a_{n}, \\ b_{1} a_{2} a_{3} \cdots a_{n} \\ b_{1} b_{2} a_{3} \cdots a_{n}, \\ \vdots \\ b_{1} b_{2} b_{3} \cdots b_{n} \end{gathered} form a strictly increasing arithmetic progression in that order. Determine the smallest positive integer that could be the common difference of such an arithmetic progression. (Canada)

对于正整数 nnk2k \geq 2,将 Ek(n)E_{k}(n) 定义为最大指数 rr,使得 krk^{r} 除以 nn!。证明有无数个 nn 使得 E10(n)>E9(n)E_{10}(n)>E_{9}(n) 和无限多个 mm 使得 E10(m)<E9(m)E_{10}(m)<E_{9}(m)。 (巴西)N4.\mathbf{N 4 .}a1,a2,,an,b1,b2,,bna_{1}, a_{2}, \ldots, a_{n}, b_{1}, b_{2}, \ldots, b_{n}2n2 n个正整数,使得n+1n+1的乘积a1a2a3an,b1a2a3anb1b2a3an,b1b2b3bn\begin{gathered} a_{1} a_{2} a_{3} \cdots a_{n}, \\ b_{1} a_{2} a_{3} \cdots a_{n} \\ b_{1} b_{2} a_{3} \cdots a_{n}, \\ \vdots \\ b_{1} b_{2} b_{3} \cdots b_{n} \end{gathered} 按此顺序形成严格递增的算术级数。确定可能是此类算术级数的公差的最小正整数。 (加拿大)

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。2023 年 IMO Shortlist N3 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?