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

2019 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 2019 P5 number-theory

Two rational numbers mn\frac{m}{n} and nm\frac{n}{m} are written on a blackboard, where mm and nn are relatively prime positive integers. At any point, Evan may pick two of the numbers xx and yy written on the board and write either their arithmetic mean x+y2\frac{x+y}{2} or their harmonic mean 2xyx+y\frac{2xy}{x+y} on the board as well. Find all pairs (m,n)(m,n) such that Evan can write 11 on the board in finitely many steps.

Proposed by Yannick Yao

黑板上写着两个有理数mn\frac{m}{n}nm\frac{n}{m},其中mmnn是互素正整数。在任何时候,埃文都可以选择写在黑板上的数字 xxyy 中的两个,并将它们的算术平均值 x+y2\frac{x+y}{2} 或它们的调和平均值 2xyx+y\frac{2xy}{x+y} 写在黑板上。找到所有 (m,n)(m,n) 对,使得 Evan 可以通过有限步在黑板上写下 11

由 Yannick Yao 提议

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。2019 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?