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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / N2 · number-theory

2020 IMO Shortlist N2

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 2020 N2 number-theory

For each prime pp, there is a kingdom of pp-Landia consisting of pp islands numbered 1,2,,p1,2, \ldots, p. Two distinct islands numbered nn and mm are connected by a bridge if and only if pp divides (n2m+1)(m2n+1)\left(n^{2}-m+1\right)\left(m^{2}-n+1\right). The bridges may pass over each other, but cannot cross. Prove that for infinitely many pp there are two islands in pp-Landia not connected by a chain of bridges. (Denmark)

对于每个素数 pp,都有一个 pp-Landia 王国,由编号为 1,2p1,2、\ldots、ppp 岛屿组成。当且仅当 pp 整除 (n2m+1)(m2n+1)\left(n^{2}-m+1\right)\left(m^{2}-n+1\right) 时,编号为 nnmm 的两个不同岛屿通过桥梁连接。桥梁可以相互交叉,但不能交叉。证明对于无穷多个 pppp-Landia 中有两个岛屿没有通过桥链连接。 (丹麦)

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。2020 年 IMO Shortlist N2 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?