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

2023 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 2023 P5 number-theory

Let n3n\geq3 be an integer. We say that an arrangement of the numbers 11, 22, \dots, n2n^2 in a n×nn \times n table is row-valid if the numbers in each row can be permuted to form an arithmetic progression, and column-valid if the numbers in each column can be permuted to form an arithmetic progression. For what values of nn is it possible to transform any row-valid arrangement into a column-valid arrangement by permuting the numbers in each row?

n3n\geq3 为整数。如果每行中的数字可以排列形成等差数列,则我们说 1122\dotsn2n^2n×nn \times n 表中的排列是行有效的,如果每列中的数字可以排列形成等差数列,则我们说是列有效的。对于什么 nn 值,可以通过排列每行中的数字来将任何行有效排列转换为列有效排列?

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 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?