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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P6 · number-theory

2012 USAMO 第 6 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 2012 P6 number-theory

For integer n2n \ge 2, let x1x_1, x2x_2, \dots, xnx_n be real numbers satisfying

x1+x2++xn=0,andx12+x22++xn2=1.x_1 + x_2 + \dots + x_n = 0, \quad \text{and} \quad x_1^2 + x_2^2 + \dots + x_n^2 = 1.

For each subset A{1,2,,n}A \subseteq \{1, 2, \dots, n\}, define

SA=iAxi.S_A = \sum_{i \in A} x_i.

(If AA is the empty set, then SA=0S_A = 0.)

Prove that for any positive number λ\lambda, the number of sets AA satisfying SAλS_A \ge \lambda is at most 2n3/λ22^{n - 3}/\lambda^2. For what choices of x1x_1, x2x_2, \dots, xnx_n, λ\lambda does equality hold?

对于整数n2n \ge 2,设x1x_1x2x_2\dotsxnx_n为实数,满足

$$

x_1 + x_2 + \dots + x_n = 0,\quad \text{和} \quad x_1^2 + x_2^2 + \dots + x_n^2 = 1。

$$

对于每个子集 A{1,2,,n}A \subseteq \{1, 2, \dots, n\},定义

SA=iAxiS_A = \sum_{i \in A} x_i。

(如果 AA 是空集,则 SA=0S_A = 0。)

证明对于任意正数λ\lambda,满足SAλS_A \ge \lambda的集合AA的个数至多为2n3/λ22^{n - 3}/\lambda^2。对于 x1x_1x2x_2\dotsxnx_nλ\lambda 的哪些选择,等式成立?

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。2012 年 USAMO P6 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?