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番外 · 题谱 · 1994 · P5

1994 USAMO 第 5 题

数论 · P2/P5 · 中段题

题面据 USAMO 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。

USAMO 1994 P5 number-theory

Let  ∣U∣, σ(U) \, |U|, \, \sigma(U) \, and  π(U) \, \pi(U) \, denote the number of elements, the sum, and the product, respectively, of a finite set  U \, U \, of positive integers. (If  U \, U \, is the empty set,  ∣U∣=0, σ(U)=0, π(U)=1\, |U| = 0, \, \sigma(U) = 0, \, \pi(U) = 1.) Let  S \, S \, be a finite set of positive integers. As usual, let  (nk) \, \binom{n}{k} \, denote  n!k! (n−k)!\, n! \over k! \, (n-k)!. Prove that

∑U⊆S(−1)∣U∣(m−σ(U)∣S∣)=π(S)\sum_{U \subseteq S} (-1)^{|U|} \binom{m - \sigma(U)}{|S|} = \pi(S)

for all integers  m≥σ(S)\, m \geq \sigma(S).

令  ∣U∣, σ(U) \, |U|, \, \sigma(U) \, 和  π(U) \, \pi(U) \, 分别表示正整数有限集  U \, U \, 的元素数量、和和乘积。 (如果  U \, U \, 是空集,则  ∣U∣=0, σ(U)=0, π(U)=1\, |U| = 0, \, \sigma(U) = 0, \, \pi(U) = 1。)令  S \, S \, 为正整数的有限集。像往常一样,令  (nk) \, \binom{n}{k} \, 表示  n!\超过k! (n−k)!\, n! \超过k! \, (n-k)!。证明

∑U⊆S(−1)∣U∣(m−σ(U)∣S∣)=π(S)\sum_{U \subseteq S} (-1)^{|U|} \binom{m - \sigma(U)}{|S|} = \pi(S)

对于所有整数  m≥σ(S)\, m \geq \sigma(S)。

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。1994 年 USAMO P5 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?