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番外 · 闲灯 / Putnam 数学竞赛 / A4 · number-theory

2023 Putnam A4

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/2023.pdf。

Putnam 2023 A4 number-theory

Let v1,,v12v_1, \dots, v_{12} be unit vectors in R3\mathbb{R}^3 from the origin to the vertices of a regular icosahedron. Show that for every vector vR3v \in \mathbb{R}^3 and every ε>0\varepsilon > 0, there exist integers a1,,a12a_1,\dots,a_{12} such that a1v1++a12v12v<ε\| a_1 v_1 + \cdots + a_{12} v_{12} - v \| < \varepsilon.

v1,,v12v_1, \dots, v_{12}R3\mathbb{R}^3 中从原点到正二十面体顶点的单位向量。证明对于每个向量 vR3v \in \mathbb{R}^3 和每个 ε>0\varepsilon > 0,都存在整数 a1,,a12a_1,\dots,a_{12} 使得 a1v1++a12v12v<ε\| a_1 v_1 + \cdots + a_{12} v_{12} - v \| <\varepsilon

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。2023 年 Putnam A4 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?