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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / S09 · number-theory

2004 IMO Shortlist S09

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 S09 number-theory

The function ff from the set N\mathbb{N} of positive integers into itself is defined by the equality f(n)=k=1ngcd(k,n),nN.f(n)=\sum_{k=1}^{n} \gcd(k,n),\qquad n\in \mathbb{N}.
a) Prove that f(mn)=f(m)f(n)f(mn)=f(m)f(n) for every two relatively prime m,nN{m,n\in\mathbb{N}} .

b) Prove that for each aNa\in\mathbb{N} the equation f(x)=axf(x)=ax has a solution.

c) Find all aN{a\in\mathbb{N}} such that the equation f(x)=axf(x)=ax has a unique solution.

从正整数集合 N\mathbb{N} 到自身的函数 ff 由等式定义 f(n)=k=1ngcd(k,n),nNf(n)=\sum_{k=1}^{n} \gcd(k,n),\qquad n\in \mathbb{N}。

a) 证明对于每两个相对素数 m,nN{m,n\in\mathbb{N}}f(mn)=f(m)f(n)f(mn)=f(m)f(n)

b) 证明对于每个aNa\in\mathbb{N},方程f(x)=axf(x)=ax都有解。

c) 找到所有aN{a\in\mathbb{N}},使得方程f(x)=axf(x)=ax有唯一解。

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 S09 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?