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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / S05 · number-theory

2004 IMO Shortlist S05

题面据 IMO Shortlist 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。

IMO Shortlist 2004 S05 number-theory

Find all functions f:NNf: \mathbb{N^{*}}\to \mathbb{N^{*}} satisfying
(f2(m)+f(n))(m2+n)2\left(f^{2}\left(m\right)+f\left(n\right)\right) \mid \left(m^{2}+n\right)^{2}
for any two positive integers mm and nn .

*Remark.* The abbreviation N\mathbb{N^{*}} stands for the set of all positive integers: N={1,2,3,...}\mathbb{N^{*}}=\left\{1,2,3,...\right\} .
By f2(m)f^{2}\left(m\right) , we mean (f(m))2\left(f\left(m\right)\right)^{2} (and not f(f(m))f\left(f\left(m\right)\right) ).

*Proposed by Mohsen Jamali, Iran*

找到所有函数 f:NNf: \mathbb{N^{*}}\to \mathbb{N^{*}} 满足

(f2(m)+f(n))(m2+n)2\left(f^{2}\left(m\right)+f\left(n\right)\right) \mid \left(m^{2}+n\right)^{2}

对于任意两个正整数 mmnn

*备注。* 缩写 N\mathbb{N^{*}} 代表所有正整数的集合: N={1,2,3,...}\mathbb{N^{*}}=\left\{1,2,3,...\right\}
f2(m)f^{2}\left(m\right) ,我们的意思是 (f(m))2\left(f\left(m\right)\right)^{2} (而不是 f(f(m))f\left(f\left(m\right)\right) )。

*由伊朗 Mohsen Jamali 提议*

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。2004 年 IMO Shortlist S05 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?