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番外 · 题谱 · 2023 · P26

2023 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 2023 N4 number-theory

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 a1a2a3anb1a2a3anb1b2a3anb1b2b3bn\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) Answer: The smallest common difference is n!n!.

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 乘积 a1a2a3anb1a2a3anb1b2a3anb1b2b3bn\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)答案:最小公差是n!n!

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 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?