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番外 · 闲灯 / Putnam 数学竞赛 / A1 · number-theory

2011 Putnam A1

题面据 Putnam 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。 PDF:https://kskedlaya.org/putnam-archive/2011.pdf。

Putnam 2011 A1 number-theory

Define a *growing spiral* in the plane to be a sequence
of points with integer coordinates P0=(0,0),P1,,PnP_0 = (0,0), P_1, \dots, P_n such
that n2n \geq 2 and:

\item the directed line segments P0P1,P1P2,,Pn1PnP_0 P_1, P_1 P_2, \dots, P_{n-1} P_n

are in the successive coordinate directions east (for P0P1P_0 P_1), north,

west, south, east, etc.;

\item the lengths of these line segments are positive and strictly

increasing.

[Picture omitted.] How many of the points (x,y)(x,y) with

integer coordinates 0x2011,0y20110\leq x\leq 2011, 0\leq y\leq 2011 *cannot*

be the last point, PnP_n of any growing spiral?

将平面中的*生长螺旋*定义为序列

具有整数坐标的点 P0=(0,0),P1,,PnP_0 = (0,0), P_1, \dots, P_n 这样

n2n \geq 2 和:

\item 有向线段 P0P1,P1P2,,Pn1PnP_0 P_1, P_1 P_2, \dots, P_{n-1} P_n
位于连续的坐标方向东(P0P1P_0 P_1)、北、
西、南、东等;
\item 这些线段的长度是正数并且严格
增加。
[图片省略。] 多少个点 (x,y)(x,y)
整数坐标 0x2011,0y20110\leq x\leq 2011, 0\leq y\leq 2011 *不能*
是任何增长螺旋的最后一个点,PnP_n

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。2011 年 Putnam A1 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?