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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P4 · number-theory

2021 USAMO 第 4 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 2021 P4 number-theory

A finite set SS of positive integers has the property that, for each sSs\in S, and each positive integer divisor dd of ss, there exists a unique element tSt \in S satisfying gcd(s,t)=d\gcd(s,t)=d (the elements ss and tt could be equal).

Given this information, find all possible values for the number of elements of SS.

正整数有限集 SS 具有以下性质:对于每个 sSs\in S 以及 ss 的每个正整数除数 dd,都存在一个唯一元素 tSt \in S 满足 gcd(s,t)=d\gcd(s,t)=d(元素 sstt 可以相等)。

根据此信息,找到 SS 元素数量的所有可能值。

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。2021 年 USAMO P4 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?