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番外 · 题谱 · 2017 · P2

2017 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 2017 P2 number-theory

Let m1,m2,,mnm_1, m_2, \ldots, m_n be a collection of nn positive integers, not necessarily distinct. For any sequence of integers A=(a1,,an)A = (a_1, \ldots, a_n) and any permutation w=w1,,wnw = w_1, \ldots, w_n of m1,,mnm_1, \ldots, m_n, define an AA-inversion of ww to be a pair of entries wi,wjw_i, w_j with i<ji < j for which one of the following conditions holds:

aiwi>wj,a_i \ge w_i > w_j,

wj>aiwi,w_j > a_i \ge w_i,

or

wi>wj>ai.w_i > w_j > a_i.

Show that, for any two sequences of integers A=(a1,,an)A = (a_1, \ldots, a_n) and B=(b1,,bn)B = (b_1, \ldots, b_n), and for any positive integer kk, the number of permutations of m1,,mnm_1, \ldots, m_n having exactly kk AA-inversions is equal to the number of permutations of m1,,mnm_1, \ldots, m_n having exactly kk BB-inversions.

m1,m2,,mnm_1, m_2, \ldots, m_nnn 个正整数的集合,不一定是不同的。对于任何整数序列 A=(a1,,an)A = (a_1, \ldots, a_n) 以及 m1,,mnm_1, \ldots, m_n 的任何排列 w=w1,,wnw = w_1, \ldots, w_n,将 wwAA 反转定义为一对条目 wi,wjw_i, w_j,且 i<ji < j 满足以下条件之一:

aiwi>wj,a_i \ge w_i > w_j,

wj>aiwi,w_j > a_i \ge w_i,

wi>wj>aiw_i > w_j > a_i。

证明,对于任意两个整数序列 A=(a1,,an)A = (a_1, \ldots, a_n)B=(b1,,bn)B = (b_1, \ldots, b_n),以及对于任何正整数 kk,恰好具有 kk AA 反转的 m1,,mnm_1, \ldots, m_n 的排列数等于恰好具有 kk AA 反转的 m1,,mnm_1, \ldots, m_n 的排列数kk BB-反转。

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。2017 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?