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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P2 · number-theory

1984 USAMO 第 2 题

题面据 USAMO 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。

USAMO 1984 P2 number-theory

The geometric mean of any set of mm non-negative numbers is the mm-th root of their product.

(i)\quad (\text{i})\quad For which positive integers nn is there a finite set SnS_n of nn distinct positive integers such that the geometric mean of any subset of SnS_n is an integer?

(ii)\quad (\text{ii})\quad Is there an infinite set SS of distinct positive integers such that the geometric mean of any finite subset of SS is an integer?

任何 mm 个非负数集合的几何平均值是其乘积的 mm 次方根。

(i)\quad (\text{i})\quad 对于哪些正整数 nn,存在 nn 个不同正整数的有限集合 SnS_n,使得 SnS_n 的任何子集的几何平均值都是整数?

(ii)\quad (\text{ii})\quad 是否存在不同正整数的无限集合 SS,使得 SS 的任何有限子集的几何平均值都是整数?

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。1984 年 USAMO P2 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?