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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / N8 · number-theory

2017 IMO Shortlist N8

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 2017 N8 number-theory

Let pp be an odd prime number and Z>0\mathbb{Z}_{>0} be the set of positive integers. Suppose that a function f:Z>0×Z>0{0,1}f: \mathbb{Z}_{>0} \times \mathbb{Z}_{>0} \rightarrow\{0,1\} satisfies the following properties: - f(1,1)=0f(1,1)=0; - f(a,b)+f(b,a)=1f(a, b)+f(b, a)=1 for any pair of relatively prime positive integers (a,b)(a, b) not both equal to 1 ; - f(a+b,b)=f(a,b)f(a+b, b)=f(a, b) for any pair of relatively prime positive integers (a,b)(a, b). Prove that n=1p1f(n2,p)2p2\sum_{n=1}^{p-1} f\left(n^{2}, p\right) \geq \sqrt{2 p}-2

pp为奇素数,Z>0\mathbb{Z}_{>0}为正整数集合。假设函数 f:Z>0×Z>0{0,1}f: \mathbb{Z}_{>0} \times \mathbb{Z}_{>0} \rightarrow\{0,1\} 满足以下属性: - f(1,1)=0f(1,1)=0; - f(a,b)+f(b,a)=1f(a, b)+f(b, a)=1 对于任何一对互素正整数 (a,b)(a, b) 且不均等于 1 ; - f(a+b,b)=f(a,b)f(a+b, b)=f(a, b) 对于任何一对互素正整数 (a,b)(a, b)。证明 n=1p1f(n2,p)2p2\sum_{n=1}^{p-1} f\left(n^{2}, p\right) \geq \sqrt{2 p}-2

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 IMO Shortlist N8 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?