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番外 · 题谱 · 1988 · P11

1988 Putnam B5

数论 · P3/P6 · 压轴题

题面据 Putnam 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。 PDF:https://kskedlaya.org/putnam-archive/1988.pdf。

Putnam 1988 B5 number-theory

For positive integers nn, let MnM_n be the 2n+12n+1 by 2n+12n+1
skew-symmetric matrix for which each entry in the first nn
subdiagonals below the main diagonal is 1 and each of the remaining
entries below the main diagonal is -1. Find, with proof, the rank of
MnM_n. (According to one definition, the rank of a matrix is the
largest kk such that there is a k×kk \times k submatrix with nonzero
determinant.)

One may note that

$$

\begin{aligned}

M_1 &= \left( \begin{array}{ccc} 0 & -1 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0

\end{array}\right) \\

M_2 &= \left( \begin{array}{ccccc} 0 & -1 & -1 & 1

& 1 \\ 1 & 0 & -1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & -1 & -1 \\ -1 & 1 & 1 & 0 &

-1 \\ -1 & -1 & 1 & 1 & 0 \end{array} \right).

\end{aligned}

$$

对于正整数 nn,令 MnM_n2n+12n+1 除以 2n+12n+1

斜对称矩阵,其中第一个 nn 中的每个条目

主对角线下方的次对角线为 1,其余各

entries below the main diagonal is -1.找出有证据的等级

MnM_n。 (根据一种定义,矩阵的秩是

最大的 kk 使得存在一个非零的 k×kk \times k 子矩阵

行列式。)

人们可能会注意到

$$

\开始{对齐}

M_1 &= \left( \begin{array}{ccc} 0 & -1 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0

\end{数组}\right) \\

M_2 &= \left( \begin{array}{ccccc} 0 & -1 & -1 & 1

& 1 \\ 1 & 0 & -1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & 0 & -1 & -1 \\ -1 & 1 & 1 & 0 &

-1 \\ -1 & -1 & 1 & 1 & 0 \end{array} \right).

\结束{对齐}

$$

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。1988 年 Putnam B5 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?