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番外 · 题谱 · 2011 · P2

2011 USAMO 第 2 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 2011 P2 number-theory

An integer is assigned to each vertex of a regular pentagon so that the sum of the five integers is 2011. A turn of a solitaire game consists of subtracting an integer mm from each of the integers at two neighboring vertices and adding 2m to the opposite vertex, which is not adjacent to either of the first two vertices. (The amount mm and the vertices chosen can vary from turn to turn.) The game is won at a certain vertex if, after some number of turns, that vertex has the number 2011 and the other four vertices have the number 0. Prove that for any choice of the initial integers, there is exactly one vertex at which the game can be won.

为正五边形的每个顶点分配一个整数,使得五个整数之和为 2011。单人纸牌游戏的一回合包括从两个相邻顶点的每个整数中减去整数 mm,并向与前两个顶点中的任何一个都不相邻的相对顶点添加 2m。 (金额 mm 和选择的顶点可能会因回合而异。)如果在某个顶点经过一定次数后,该顶点的数字为 2011,而其他四个顶点的数字为 0,则该游戏获胜。证明对于初始整数的任何选择,都恰好有一个顶点可以赢得游戏。

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。2011 年 USAMO P2 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?