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

2023 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 2023 P4 number-theory

A positive integer aa is selected, and some positive integers are written on a board. Alice and Bob play the following game. On Alice's turn, she must replace some integer nn on the board with n+an+a, and on Bob's turn he must replace some even integer nn on the board with n/2n/2. Alice goes first and they alternate turns. If on his turn Bob has no valid moves, the game ends.

After analyzing the integers on the board, Bob realizes that, regardless of what moves Alice makes, he will be able to force the game to end eventually. Show that, in fact, for this value of aa and these integers on the board, the game is guaranteed to end regardless of Alice's or Bob's moves.

选择一个正整数aa,并将一些正整数写在黑板上。爱丽丝和鲍勃玩以下游戏。轮到 Alice 时,她必须用 n+an+a 替换棋盘上的某个整数 nn,而轮到 Bob 时,他必须用 n/2n/2 替换棋盘上的某个偶数整数 nn。爱丽丝先走,他们轮流走。如果轮到鲍勃没有有效的动作,则游戏结束。

在分析了棋盘上的整数后,鲍勃意识到,无论爱丽丝做出什么动作,他最终都能够迫使游戏结束。事实上,对于 aa 的值和棋盘上的这些整数,无论 Alice 或 Bob 的动作如何,游戏都一定会结束。

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。2023 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?