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番外 · 题谱 · 1997 · P1

1997 USAMO 第 1 题

数论 · P1/P4 · 起手题

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 1997 P1 number-theory

Let p1,p2,p3,...p_1,p_2,p_3,... be the prime numbers listed in increasing order, and let x0x_0 be a real number between 00 and 11. For positive integer kk, define

xk={0 if xk1=0{pkxk1} if xk10x_{k}=\begin{cases}0&\text{ if }x_{k-1}=0\\ \left\{\frac{p_{k}}{x_{k-1}}\right\}&\text{ if }x_{k-1}\ne0\end{cases}

where {x}\{x\} denotes the fractional part of xx. (The fractional part of xx is given by xxx-\lfloor{x}\rfloor where x\lfloor{x}\rfloor is the greatest integer less than or equal to xx.) Find, with proof, all x0x_0 satisfying 0<x0<10<x_0<1 for which the sequence x0,x1,x2,...x_0,x_1,x_2,... eventually becomes 00.

p1,p2,p3,...p_1,p_2,p_3,... 为按升序排列的素数,令 x0x_00011 之间的实数。对于正整数 kk,定义

$$

x_{k}=\begin{cases}0&\text{ 如果 }x_{k-1}=0\\ \left\{\frac{p_{k}}{x_{k-1}}\right\}&\text{ 如果 }x_{k-1}\ne0\end{cases}

$$

其中{x}\{x\}表示xx的小数部分。 (xx 的小数部分由 xxx-\lfloor{x}\rfloor 给出,其中 x\lfloor{x}\rfloor 是小于或等于 xx 的最大整数。)通过证明,找到所有满足 0<x0<10<x_0<1x0x_0,其中序列 x0,x1,x2,...x_0,x_1,x_2,... 最终变为 00

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。1997 年 USAMO P1 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?