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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P5 · number-theory

2008 USAMO 第 5 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 2008 P5 number-theory

Three nonnegative real numbers r1r_1, r2r_2, r3r_3 are written on a blackboard. These numbers have the property that there exist integers a1a_1, a2a_2, a3a_3, not all zero, satisfying a1r1+a2r2+a3r3=0a_1r_1 + a_2r_2 + a_3r_3 = 0. We are permitted to perform the following operation: find two numbers xx, yy on the blackboard with xyx \le y, then erase yy and write yxy - x in its place. Prove that after a finite number of such operations, we can end up with at least one 00 on the blackboard.

黑板上写着三个非负实数r1r_1r2r_2r3r_3。这些数具有以下性质:存在整数a1a_1a2a_2a3a_3,且不全为零,满足a1r1+a2r2+a3r3=0a_1r_1 + a_2r_2 + a_3r_3 = 0。我们被允许执行以下操作:在黑板上用xyx\le y找到两个数字xxyy,然后擦除yy并在其位置写上yxy - x。证明经过有限次数的此类操作后,我们最终可以在黑板上得到至少一个 00

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。2008 年 USAMO P5 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?