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番外 · 闲灯 / 亚太数学奥林匹克 / P4 · number-theory

2009 APMO 第 4 题

题面据 APMO 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。

APMO 2009 P4 number-theory

Prove that for any positive integer kk, there exists an arithmetic sequence

a1b1,a2b2,,akbk\frac{a_{1}}{b_{1}}, \quad \frac{a_{2}}{b_{2}}, \ldots, \quad \frac{a_{k}}{b_{k}}

of rational numbers, where ai,bia_{i}, b_{i} are relatively prime positive integers for each i=1,2,,ki=1,2, \ldots, k, such that the positive integers a1,b1,a2,b2,,ak,bka_{1}, b_{1}, a_{2}, b_{2}, \ldots, a_{k}, b_{k} are all distinct.

证明对于任意正整数kk,存在等差数列

a1b1a2b2akbk\frac{a_{1}}{b_{1}}、\quad \frac{a_{2}}{b_{2}}、\ldots、\quad \frac{a_{k}}{b_{k}}

有理数,其中 ai,bia_{i}, b_{i} 是每个 i=1,2,,ki=1,2, \ldots, k 的相对质数正整数,使得正整数 a1,b1,a2,b2,,ak,bka_{1}, b_{1}, a_{2}, b_{2}, \ldots, a_{k}, b_{k} 都是不同的。

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。2009 年 APMO P4 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?