第44屆國際數學奧林匹亞競賽試題與解答

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− 33 −
第44 屆國際數㈻奧林匹亞競賽試題與參考解答
傅承德* 洪文良**
*㆗央研究院 統計科㈻研究所
**國立新竹師範㈻院 數㈻教育系
2003 年第 44 屆國際數學奧林匹亞競賽
(IMO)是在日本的東京舉行;本屆共有 82 個
國家與會,合計 457 位學生代表參賽。競賽
活動是由各國領隊組成的評審會議 (Jury
Meeting)揭開序幕,除了確認各項議題外,
評審會議的一個主要工作是挑選本屆的競賽
試題。國際數學奧林匹亞競賽試題是先由各
參賽國(主辦國除外)於規定時間期限內提交
0~6 道試題,再由主辦國的試題委員會
(Problem Selection Committee)研究選出大約
30 道預選試題,分屬代數、分析、數論、幾
何及組合數學等不同領域和不同難度的試
題;最後再經由評審會議票選暨修訂出最後
6道IMO 試題,再依主題內容及難易層次分
配成兩份試題,分別在連續的兩天舉行競
試,每天三道試題,考試時間都是 4.5 小時。
本屆試題經由主辦國的試題委員會選出他們
認為較適當的 27 道試題,再由各國領隊組成
的評審會議經過三天的討論票選出一道代數
題、二道數論題、二道幾何題及一道組合題,
其中第一題為組合題、第二題為數論題、第
三題為幾何題、第四題為幾何題、第五題為
代數題、第六題為數論題。
今年我國六位學生:林金毅(建國中
學)、趙心宇(建國中學)、黃紹倫(建國中
學)、黃道生(建國中學)、廖紹棠(高雄中
學)、葉仲恆(鳳西國中),總成績 114 分,
榮獲一面金牌、二面銀牌、二面銅牌,在 82
隊中名列第十六名。總分前二十名的國家依
次為:保加利亞、中國大陸、美國、越南、
俄羅斯、韓國、羅馬尼亞、土耳其、日本、
匈牙利、英國、加拿大、哈薩克、烏克蘭、
印度、台灣、德國、伊朗、泰國、白俄羅斯。
本文針對此次我國代表團所翻譯成中文版的
六道 IMO 試題提供參考解答,以供國內相關
學者、數學教師等輔導數學資優生之研究、
應用與參考。
㆒、第 44 屆國際數㈻奧林匹亞競賽試
題
第一天
東京,2003 年 7 月 13 日
考試時間:4.5 小時
第㆒題:
令
{1,2, ,1000000}
S=L,而
A
是一個恰有
101 個元素的
S
的子集合。試證,在
S
中存
在著 12 10
0
,, ,tt t
L使得下面的這些集合
{}
| , 1, 2, ,100
jj
AxtxAj
=+ ∈ = L
任何相異的兩個都不相交。
科學教育月刊 第 258 期 中華民國九十二年五月
− 34 −
第㆓題:
求所有能使
2
23
21
a
ab b
−+
成為正整數的正
整數對
()
,
a
b
。
第㆔題:
凸六邊行的任何兩個對邊都有下面的性質:
兩對邊中點間的距離恰等於這兩個對邊長的
和的
32
倍。試證這六邊形的所有內角都
相等。
(一個凸六邊形
有三組對邊:
AB
和
DE
;
BC
和
EF
以及
CD
和
FA
)
第二天
東京,2003 年 7 月 14 日
考試時間:4.5 小時
第㆕題:
設
ABCD
為一個圓內接四邊形,自點
D
向
直線
BC
,
CA
和
AB
做垂線,設垂足分別
為
P
,
Q
和
R
。試證
PQ QR
=的充分必要
條件是:
ABC
∠的分角線,
ADC
∠的分角
線和
AC
這三線交於一點。
第㈤題:
設
n
為一個正整數且 12
n
xx x
≤≤≤L均為
實數。試證
()
()
22
2
11 11
21
3
nn nn
ij ij
ij ij
n
xx xx
== ==
−
⎛⎞
−≤ −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑∑
證明上式中等號成立的充分必要條件是
12
,,,
n
xx x
L為一個等差序列。
第㈥題:
設
p
為一個質數。試證:存在一個質數
q
,
使得對所有的整數 ,p
nn p
−都不能被
q
整
除。
㆓、第 44 屆國際數㈻奧林匹亞競賽成
績統計
表1. 2003 年第 44 屆IMO 前20 名國家各國
成績統計表
名
次 國名 總分 金
牌 銀
牌 銅
牌 參賽
人數
1 保加
利亞 227 6 0 0 6
2 中國
大陸 211 5 1 0 6
3 美國 188 4 2 0 6
4 越南 172 2 3 1 6
5 俄羅斯 167 3 2 1 6
6 韓國 157 2 4 0 6
7 羅馬
尼亞 143 1 4 1 6
8 土耳其 133 1 3 1 6
9 日本 131 1 3 2 6
10 匈牙利 128 1 3 1 6
10 英國 128 1 2 3 6
12 加拿大 119 2 0 3 6
12 哈薩克 119 1 2 2 6
14 烏克蘭 118 1 2 3 6
15 印度 115 0 4 1 6
16 台灣 114 1 2 2 6
17 德國 112 1 2 1 6
17 伊朗 112 0 3 2 6
19 泰國 111 1 1 3 6
19 白俄
羅斯 111 1 2 2 6
表2. 2003 年第44 屆IMO 中華民國學生代表
得分及成績統計表
姓名 第l
題 第2
題 第3
題 第4
題 第5
題 第6
題 總分 獎牌
黃紹倫 7 7 0 7 7 1 29 金牌
葉仲恆 7 3 0 7 4 0 21 銀牌
黃道生 2 3 0 7 7 1 20 銀牌
趙心宇 7 3 0 7 1 0 18 銅牌
林金毅 7 3 0 7 0 0 17 銅牌
廖紹棠 2 0 0 0 7 0 9 榮譽
獎
數學學習模組的開發與設計-「e百元商店」
− 35 −
㆔、第 44 屆國際數㈻奧林匹亞競賽試
題詳解
第㆒題:
令
{1,2, ,1000000}
S=L,而
A
是一個恰有
101 個元素的
S
的子集合。試證,在
S
中存
在著 12 10
0
,, ,tt t
L使得下面的這些集合
{}
| , 1, 2, ,100
jj
AxtxAj
=+ ∈ = L
任何相異的兩個都不相交。
試題委員會公布的參考答案:
參考解答:考慮集合
{}
|,
D
xyxyA=− ∈,
則集合
D
的元素個數至多有
101 100 1 10101
×+= 個。因為兩個集合
i
At
+與
i
At
+具有非空交集的充分必要條
件為 ij
tt D
−∈ 。所以我們僅需要依照此想
法選取 100 個元素即可。
我們以數學歸納法選取這些元素。由
S
中任
取一個元素。假設我們已選取
k
個元素,此
處
99
k≤。(此
k
個元素選取的方式為:任一
元素
x
已被選取,則我們不能從集合
xD
+
選取另外一個元素。)
在
k
個元素被選取之後,則
S
中至多有
999999(因為
10101 999999
k≤)個元素不能
被選取。因此,我們可以再選取下一個元素。
推廣結果:令
{1, 2, , }
Sn
=L,且
m
是一個
正整數使得
()
()
2
11
k
nm ⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
>− +
,而
A
是一
個恰有
k
個元素的
S
的子集合。試證,在
S
中
存在著 12
,, ,
m
tt t
L使得下面的這些集合
{}
|,1,2,,
jj
AxtxAj m
=+ ∈ = L
任何相異的兩個都不相交。
參考解答:考慮集合
{}
|,
B
xyxyA
=− ∈,
則集合
B
的元素個數至多有 2
1
k
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
+個。
我們僅需要證明:在
S
中存在著 12
,, ,
m
tt t
L
使得 ,
ij
tt Bij
−∉ ≠
。
底下我們以數學歸納法選取 12
,, ,
m
tt t
L。
在
S
中選取一個元素 1
1
t=且考慮集合
()
11
CSBt
=+
。則
()
()
()
122
121
kk
Cn m
⎛⎞ ⎛⎞
⎜⎟ ⎜⎟
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠
≥− + > − +。
對於1
im
≤< ,假設 12
i
L已被選取且
i
C
已被定義,
()
()
2
110
k
i
Cmi ⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
>−− +≥
。
因此,我們可由集合
i
C
選取一個最小元素
1
i
t
+而且考慮集合
()
11
ii i
C
CBt
++
=+
。則
()
()
()
122
121
0
kk
ii
CC mi
⎛⎞ ⎛⎞
⎜⎟ ⎜⎟
⎜⎟ ⎜⎟
+⎝⎠ ⎝⎠
≥−+>−− +≥
依照上述的方式,我們可選取符合題意的
12
,, ,
m
tt t
L。
林金毅同學的解法:
由題意設
1 2 101 1 2 3 101
{ , , , |1 1000000}
Aaa a aaa a=≤<<<<≤
LL
。定義 1000000 個集合:
{}
() |Ap x px A
=+ ∈,
其中
p
屬於
S
,則在
S
中選出滿足題設條件
的12 10
0
,, ,tt t
L即是從以上定義出的
1000000 個集合中選出 100 個集合使得兩兩
沒有交集。
科學教育月刊 第 258 期 中華民國九十二年五月
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而對每一個
p
,
()
Ap至多有 101
2
5050
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
=個
'
pp
>使得
()
Ap和
()
'
Ap 的交集是非
空。此因而這必然是存在一對
uv
>屬於
{1,2, ,101}
L使得
()
Ap的第
u
個元素和
()
'
Ap 的第
v
個元素相同而對於每一對
uv
>屬於
{1,2, ,101}
L恰有一 '
pp
>使得
'
uv
apap
+=+
或
'
uv
apap
+= + 成立。
(事實上,若
uv
<則
'
uv
apap
+= + 不可
能成立)由於這樣
,uv
共有 5050 組,所以這
樣的
'p
也至多有 5050 個。
把
() ( ) ( )
1 , 2 , , 1000000AA A
L排列起來
選,現逐次選取 1210
0
,,
ttt
:11
1, n
tt
+
==
選完
n
t
後可以選的最小數。其中
n
t
不可以選的就
是
()
n
At 會和之前選出的某
()
k
At 的交集非
空。於是只在每次選完
n
t
時把那些會和他有
交集的集合
()
'n
At (至多有 5050 個)和
()
n
At (合起來至多有 50501 個)從可以選
的範圍去掉再選就沒有問題了。底下證明:
對所有
100
n≤,可以選出
n
t
.
我們利用反證法,假設不然。則由以上選法
知:選完了
1
n
t
−以後,從
1, 2, ,1000000
L共
1000000 都不可以選了。但是選了
1
n
−次最
多排除了
()
5
051 1 5051 99 100000
0
n−≤ × < 可
以選。矛盾。
所以 12 10
0
,, ,tt t
L都選出來了,這些
12 10
0
,, ,tt t
L根據選法確實滿足題意。
第㆓題:
求所有能使
2
23
21
a
ab b−+
成為正整數的正
整數對
()
,
a
b
。
試題委員會公布的參考答案:
參考解答:令
(,)ab
是滿足題意的一個序
對。因
2
23
23 2
0
21
1
210,
22
2
a
kab b b
ab b a
b
b
a
=>
−+
⇒−+>>−
⇒≥
根據上式,可得
k
≥或
22 22
(2 ) 1, ( (2 ) 0
abab abab
≥−+⇒>−≥
.
因此Equation Section (Next)
or 2
ab ab
>=
(1)
對於固定正整數
k
和
b
,考慮方程式
()
22 3
210
akbakb
−+−=
(2)
的兩根 1
2
,aa
(假設 1
2
aa
≥)。由根與係數關
係知:
()
23
12 12
2, 1
aa kbaa kb+= = −
。
根據上述,我們可得:
()()
33
2
12 2
1
11
0, 0
.
kb kb
a
kb a
b
akb
−−
≥>≤= ≤ <
結合(1)式可得: 2
0
a=或2
2
b
a=(此處
b
必
為偶數)。
(i)若2
0
a=則31
0
b−=。因此 12,
1
akb
==
。
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− 37 −
(ii)若2
2
b
a=則2
4
b
k=且4
12
2
b
b
a=−
。
由上述的討論可知滿足題意的序對
(,)ab
為:對於某個正整數l
(,) (2,1)
ab =l或
(,2)
ll
或4
(8 ,2 )
−lll
.
註解 1:(1)式的另一種解法:固定
1
a≥且考
慮方程式
()
23
2
1
a
fb ab b
=−+
。則
()
a
f
b
在區間
4
0,
3
a
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
是遞增函數,在區間
4
[,)
3
a∞是遞減函數。由此可得
32
22
2
() 1 ,
(2 1) 4 4 2 ,
(2 1) 4 4 0.
a
a
a
fa a a
fa a a a
fa a a
=+>
−= −+>
+=−−<
因此,若
ba
≥且
()
2
a
a
fb
是一個正整數則
2
ba
=。
若
4
3
a
ab
≤≤ 則
() ()
2
aa
fb fa a
≥>
且
()
2
a
a
fb
不是一個正整數。(矛盾)
若
4
3
a
b>則
(i)若
21
b
a
≥+
則
() ( )
21
0
aa
fb f a
≤+<
(矛盾);
(ii) 若
21
ba
≤−
則
() ( )
2
21
aa
fb f a
a
≥−>
,且
()
2
a
a
fb
不是一個正整數。(矛盾)
註解 2:此題有很多種解法,底下列出其中
三種。
解法(一):令
D
為方程式(2)的判別式,則
D
是某個非負整數
d
的平方,即
()
2
222
24.D bkb kb d
=−+−=
(i) 若2
2
ebkbd
=−=
,則
2
4
kb
=且
2
2,
22
bb
abk
=−.
(ii)若
ed
≠,則
22 2 2
21 4 4 21
de e kb bkb
−≥−⇒ −≥ −−
.
(iii)若2
40
kb
−>
,則
1b
=。
其他情形是無解。
解法(二):假設
1
b
≠且令
()
3
gcd 2 , 1
sab
=−
,
3
2,1'asub st
=−=
,23
21
ab b st
−+=.則
2
'
tt ub
+= 且
gcd( , ) 1
ut =。由
2
|st a
,可
得
|ts
令
srt
=.則原問題可簡化成底下的引
理:
引理:令
,,,'
brtt
,u是滿足 3
1'
brtt
−= 與
2
'
tt ub
+= 的正整數。則
1
r
=且
,',
tt u
三數
之中有一為
1
。
證明:由 3
1'brtt
−= 與
2
'
tt ub
+= 可得
()()
32 2
1'
brtubtrtubt
−= − = − 。
因
()
22 2
'1mod
rt rt b
≡≡ ,若 2
1
rt ≠且
2
'1
rt ≠,則 ,'
b
tt
r
>。我們可得
23
1,
bb
rub b
rr
⎛⎞
−≥−
⎜⎟
⎝⎠
除非
1
ru==
.
解法(三):我們沿用上述的符號,因
()
2
23
|1
rt b −,所以僅需要證明底下的引理:
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− 38 −
引理:令
2
b≥。若一正整數
()
2
1mod
xb
≡
能被
()
2
3
1
b−整除,則
1x
=或
()
2
3
1
xb=−
或
()( )
,4,49
bx =或
()
4,8
1
。
證明:令
,
pq
是正整數具有
0
pq
>>且滿
足
()( )( )
2
322
111
bpbqb−= + +
。則
()
()
()
()
()
()
42
24 2
2
4
2
121
21
31.
b b p q pqb
qpq b b p q b qb
pqbqb
b
=+++
⇒−+=−+−
−+ −
⇒−< <
根據上述,可得證。
趙心宇同學的解法:設
2
23
21
a
k
ab b =
−+ ,
223
20
akbabkk
−+−=
,視為
a
的二次方
程式,因為
a
是整數,所以判別式必須是一
個完全平方數。由 ,
而4是一個完全平方數,故
24 3
2
kb bk k m
−+=
,其中
m
是自然數。但是
當
b
為偶數時易得不等式:
22
2
2
22432 2
11
2242
bbbb
kb k b b k k kb k kb
⎛⎞ ⎛⎞ ⎛⎞
−+ > − += − +− > −−
⎜⎟ ⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠ ⎝⎠
故必有
22
22
24 3 2 2
.
24 2 4
bb b b
kb bk k kb k kb k
⎛⎞ ⎛⎞
−+=−+−=−⇒=
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠
若
b
是奇數,
22
2
2
22432 2
11
22 2 4 22
bbbb
kb k b b k k kb k kb
⎛⎞ ⎛⎞⎛⎞
−+ > − += − +− > −−
⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠⎝⎠
上述不等式成立的條件是
1b
=,故
b
不可能
是大於 1的奇數。
(i)
1b
=時,必有
2ak
=。所以
()
2,
1
k是其
中一組解。
(ii)
b
偶數時,將
2
4
b
k=代入,得出:
帶入驗證皆合乎條件。
故滿足題意的所有解為:
()
4
2,1 , ,
22
bbb
kb b
⎛⎞
−
⎛⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
.
第㆔題:
凸六邊行的任何兩個對邊都有下面的性質:
兩對邊中點間的距離恰等於這兩個對邊長的
和的
32
倍。試證這六邊形的所有內角都
相等。
(一個凸六邊形
有三組對邊:
AB
和
DE
;
BC
和
EF
以及
CD
和
FA
)
試題委員會公布的參考答案:
參考解答(一):首先我們先證底下的一個引
理:
引理:考慮一個三角形
PQR
其中
60
QRP
∠≥
o。令
L
是
QR
的中點。則
3
2
PL QR
≤,此處等號成立的充分必要條
件是三角形
PQR
為正三角形。
數學學習模組的開發與設計-「e百元商店」
− 39 −
證明:令
S
是使得三角形
QRS
為正三角形的
一個點,此處
P
點與
S
點在
QR
的同一側。
則
P
點落在三角形
QRS
的外接圓之內部。
同時,
P
點也落在以
L
為中心, 3
2
QR
為
半徑的圓內。故得證。
因為凸六邊行的主對角線可形成一個三角形
(此三角形可能是退化的),所以我們可選取
其中的兩條主對角線使其形成的角大於或等
於
60
o。不失其一般性,我們可假設凸六邊
行
的兩條主對角線
AD
與
BE
滿
足
60
APB
∠≥
o,此處
P
點是主對角線
AD
與
BE
的交點。根據上述引理,可得:
()
3
,
2
MN AB DE PM PN MN
=+≥+≥
此處
M
與
N
分別是
AB
與
DE
的中點。所
以三角形
ABP
與
DEP
是正三角形。
另一方面,主對角線
CF
與
AD
或
BE
可形
成一個大於或等於
60
o的角。不失其一般
性,我們可假設此角為
60
AQF
∠≥
o,其中
Q
是主對角線
AD
與
CF
的交點。依上述的
方法,我們可得:三角形
AQF
與
CQD
是正
三角形。由此可知:
60
BRC
∠=
o,其中
R
是主對角線
BE
與
CF
的交點。再依據上述
的作法,可得:三角形
BCR
與
EFR
是正三
角形。
故得證。
參考解答(二):
令
為一給定的凸六邊形且
,,,,
aABbBC fFA
== =
uuuruuur uuur
L。
Equation Section (Next)
令
,MN
分別為
AB
與
DE
的中點,則
11
22
M
N abc
d
=+++
uuuur和11
.
22
M
Nafe
d
=− − − −
uuuur
所以
()
1
.
2
MN b c e f
=+−−
uuuur
(1)
科學教育月刊 第 258 期 中華民國九十二年五月
− 40 −
根據題意,可得
()
33
.
22
MN a d a d
=+≥−
uuuur (2)
令,,
xadycfzeb
=− =− =−。由(1)與
(2),可得
3.
yz x
−≥ (3)
同理可得
3.
zx y
−≥ (4)
3.
xy z
−≥ (5)
觀察得
222
222
222
(3) 2 3 ,
(4) 2 3 ,
(5) 2 3 .
yyzz x
zzxx y
xxyy z
⇔−+≥
⇔−+ ≥
⇔−+≥
由上式可得
222
2220,
xyz yzzxxy
−−−− − − ≥
或2
0.
xyz
−++ ≥
因此,我們可得
0
xyz
++=
假設
PQR
是一個三角形使得
,,
PQ x QR y RP z
===
uuur uuuruuur
。不失其一般性,
我們可假設
60
QPR
∠≥
o。令
L
為
QR
的中
點,則 33
222
zx y
PL QR
−
=== 。根
據解法(一),可知:
PQR
是一個正三角形。
所以 12
0
ABC BCD FAB
∠=∠==∠=
o
L。
黃道生同學的解法:如圖(一),考慮三角形
ABC
及
AB
的中點
M
。考慮
CM
的長度與
角
C
的關係,此處以
C
代表角
C
的大小。下
證:
Equation Section (Next)
引理一:當 3
60 , 2
CCMAB
><
o。
由餘弦定律知:
222 2
22
2
2cos 2cos60
2
AC BC AB AC BC C AB AC BC
AC BC
AB
+=+⋅ <+⋅
+
≤+
o
(1)
所以 22
2
2
AC BC AB
+< 。再由中線定理
知: 22 2 2
2
4224
CM AB AC BC AB
+= + < 。所
以22 3
43 2
CM AB CM AB
<⇒< 。
如圖(二):設凸六邊形
,
,
MN
分別為
,
AB DE
之中點,
P
為對角線
,
AD BE
之交點。若
60
APB
∠>
o,則由引
理一及三角不等式可得:
()
3
2
MN MP NP AB DE
≤+< +,此與題
設不合,所以,
60
APB
∠≤
o(引理二)。
主證明:如圖(三),由引理(二):
,,
APB FQE CRD
∠∠∠ 全都小於或等於
60
o。但,顯然這三個角的和為
180
o(不論
有沒有退化)。所以,
60
APB FQE CRD
∠=∠=∠ =
o。由引理
數學學習模組的開發與設計-「e百元商店」
− 41 −
一的證明中(1)式可知:若
60
APB
∠=
o而不
等號必須成為等號(在引理一中,
3
2
CM AB
=),必須
AC CB
=,因為
M
為中點所以
CM
垂直
AB
。而且
CM
為角
C
的平分線。現在有 ,
APB CRD
∠∠的平分
線,互相夾角為
120
o,
AB
垂直
APB
∠之平
分線,
AF
垂直
CRD
∠之平分線,而且
為凸六邊形。所以
120
BAF
∠=
o。同理可得凸六邊形
的每個角都是
120
o,故每個角都
相等。
第㆕題:
設
ABCD
為一個圓內接四邊形,自點
D
向
直線
BC
,
CA
和
AB
做垂線,設垂足分別
為
P
,
Q
和
R
。試證
PQ QR
=的充分必要
條件是:
ABC
∠的分角線,
ADC
∠的分角
線和
AC
這三線交於一點。
試題委員會公布的參考答案:
參考解答(一):由 Simson 定理知
,,
PQR
三點共線。因
DPC
∠與
DQC
∠為直角且
,,,
DPQC
四點共圓,所以
DCA DPQ DPR
∠=∠=∠ 。同理,
,,,
DQRA
四點共圓,所以
DAC DRP
∠=∠
。因此 。
同理可證:
與。則
.
QR
DB
DA DR QR BA
BC
PQ
DC DP PQ BC
DB BA
⋅
== =⋅
⋅
故
PQ QR
=充分必要條件是
DA BA
DC BC
=。
由此可得證。
參考解答(二):假設
ABC
∠的分角線與
ADC
∠的分角線分別與
AC
交於
L
與
M
兩點。因為
AL AB
CL CB
= 與
.
AM AD
CM CD
=
所以,
ABC
∠的分角線,
ADC
∠的分角線
和
AC
這三線交於一點的充分必要條件是
AB AD
CB CD
=,即
AB CD CB AD
⋅=⋅。底下,
我們將證明:
AB CD CB AD
⋅=⋅的充分必
要條件是
PQ QR
=。
因為 ,,
DP BC DQ AC DR AB
⊥⊥⊥
所以
我們有:(i)以
DC
為直徑的圓包含了
,
PQ
兩
點;(ii) 以
DA
為直徑的圓包含了
,
QR
兩
點。因此, PDQ
γ
∠=
或180
γ
−
o,其中
ACB
γ
=∠ 。同理可得: QRD
α
∠=
或
180
α
−
o,其中
CAB
α
=∠ 。由正弦定律,
可得
sin
PQ
γ
= 與
sin .
QR AD
α
=
科學教育月刊 第 258 期 中華民國九十二年五月
− 42 −
所以,
PQ QR
=的充分必要條件是
sin
sin
CD
AD
α
γ
=.
另一方面,再由正弦定律,可得:
sin
.
sin
CB
AB
α
γ
=。所以,
PQ QR
=的充分必
要條件是
CD CB
AD AB
=,即
AB CD CB AD
⋅=⋅。
葉仲恆同學的解法:
(i) 設,
ADC ABC
∠∠之角平分線分別交
AC
於
F
與
f
兩點。由角平分線定理知:
,.
DC CF BC Cf
DA FA BA fA
==
,
ADC ABC
∠∠
之角平分線和
AC
三線共
點的充分必要條件是
F
與
f
兩點重合。所以
,
ADC ABC
∠∠
之角平分線和
AC
三線共
點的充分必要條件是
DC BC
DA BA
=。
(ii)由於 90 , 18
0
DRC DQC DQA DPA
∠=∠=∠+∠=
oo
,
可知 ,
DRCQ DQPA
四點共圓。又
,DR DA
分別在 ,
DRCQ DQPA
的外接圓對
90
o的圓
周角,可知
,DR DA
分別是 ,
DRCQ DQPA
的外接圓的直徑。由正弦定律知:
sin , sin
.
R
Q DC RDQ PQ DA PDQ
=∠ =∠
再由 ,
DRCQ DQPA
四點共圓,可知:
,,
RDQ BCA PDQ BAC
∠=∠∠=∠,即
sin , sin
.
R
Q DC BCA PQ DA BAC
=∠ =∠
所以 sin
.
sin
RQ BCA
PQ BAC
∠
=∠
(iii)由正弦定律知: sin
sin
BC BC
A
BA BA
C
∠
=∠,推得
sin sin sin
.
sin
DC BC BCA DC BCA DA BAC PQ RQ
DA BA BAC
∠
== ⇔ ∠= ∠ ⇔=
∠
所以, ,
ADC ABC
∠∠
之角平分線和
AC
三
線共點的充分必要條件是
PQ RQ
=。
第㈤題:
設
n
為一個正整數且 12
n
xx x
≤≤≤L均為
實數。
試證
()
()
22
2
11 11
21
3
nn nn
ij ij
ij ij
n
xx xx
== ==
−
⎛⎞
−≤ −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑∑
證明上式中等號成立的充分必要條件是
12
,,,
n
xx x
L為一個等差序列。
試題委員會公布的參考答案:
參考解答:(1) 因不等式兩邊對於
12
,,,
n
xx x
L的任意變換是不變的,所以在
不失一般性的情況下我們可假設
1
0
n
i
ix
==
∑。經簡單計算後可得
()
()
,1 1
2221.
nn
ij ij i
ij i j i
xx xx in x
=< =
−= − = −−
∑∑ ∑
由Cauchy-Schwartz 不等式可得
() ()()
2222
,1 1 1 1
11
42 1 4
.
3
nnn n
ij i i
ij i i i
nn n
xx in x x
=== =
⎛⎞ +−
−≤ −− =⋅
⎜⎟
⎝⎠
∑∑∑ ∑
另一方面,我們有
()
2222
,1 1 1 1 1 1
2.
nnnnnn
ij i i j j i
ij i i i j i
xx nx x xnx nx
======
−= − + =
∑∑∑∑∑∑
因此
()
()
222
11 11
21
.
3
nn nn
ij ij
ij ij
n
xx xx
== ==
−
⎛⎞
−≤ −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑ ∑∑
數學學習模組的開發與設計-「e百元商店」
− 43 −
(2)如果等式成立,則
()
2
1
i
xkin
=−−
,對
於某個
k
,其意為 12
,,,
n
xx x
L是一個等差
數列。
另一方面,假設 12
,,,
n
xx x
L是一個具有公
差為
d
的等差數列。則我們可得
()
1
21 .
22
n
i
xx
d
xin +
=−−+
12
,,,
n
xx x
L經由 1
2
n
xx
+
−的變換可得
()
21
2
id
xin
=−−
與1
0
n
i
ix
==
∑。由此可得
等號成立。
Equation Section (Next)
廖紹棠同學的解法:
因11 1
2
nn
ij ij
ij ijn
xx xx
== ≤<≤
−= −
∑∑ ∑ ,所
以原命題可化為
2
22
11
1
.
3ij ij
ijn ijn
nxx xx
≤< ≤ ≤< ≤
⎛⎞
−−≥ −
⎜⎟
⎝⎠
∑∑
(1)
令,
即1
1
iik ii ik
xx aa a
+++−
−=++
L。
考慮一數列
42
222 2
(1)1(2)2(3)3 1(1)
12
nn
Sn n n n −
=−×+−×+−×++×− =L
令
22 2
2
2
242241
'( 1) ( 2) 1
3
nn
Sn n S
nn nn
−−
⎛⎞ ⎛⎞ ⎛ ⎞
=−× +−× ++× = =
⎜⎟ ⎜⎟ ⎜ ⎟
⎝⎠ ⎝⎠ ⎝ ⎠
L
因此(1)之左式可化為
() ()
()
22 2
2
1
12 1 12 21
12 1
2422
( 1) ( 2) 1
22 2 4 4
(
22 )
ij
ijn
nnn
n
n
xx n n
nn n
aa a aa aa
nn n n n
naa a
n
≤< ≤
−−−
−
⎛⎞
⎛⎞ −
⎛⎞ ⎛⎞ ⎛ ⎞
−−×+−×++×
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟ ⎜⎟ ⎜ ⎟
⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠ ⎝ ⎠
⎝⎠
⎝⎠
≥ + ++ + + ++ + +
−+++
∑L
LLL
L
(2)
接著我們若能證明(2)之右式等於(1)之右
式,則此題得證。
在(1)之右式中,平方前
k
a
的係數為:
22
11
,
22
knn
ak
++
⎛⎞
=−−
⎜⎟
⎝⎠ 當
n
是奇數。
2
21111
,
42222
knn n n
akk
⎛⎞⎛⎞
++ +
= −−− −+
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
當
n
是偶數。
在(2)之右式中,平方前
k
a
的係數為:
22
11
,
22
knn
ak
++
⎛⎞
=−−
⎜⎟
⎝⎠ 當
n
是奇數。
2
21111
,
42222
knn n n
akk
⎛⎞⎛⎞
++ +
= −−− −+
⎜⎟⎜⎟
⎝⎠⎝⎠
當
n
是偶數。
因此,可知(2)之右式等於 (1)之右式。故此
命題得證。
第㈥題:
設
p
為一個質數。試證:存在一個質數
q
,
使得對所有的整數 ,p
nn p
−都不能被
q
整除。
試題委員會公布的參考答案:
參考解答:
因
()
()
21 2
111mod
1
pp
p
pp p p p
p−
−=+ + + + ≡ +
−L,我們
可得
()
1
1
p
p
p
−
−至少有一質因數
q
且
()
2
1mod
qp
≡。此質因數
q
即為所求,證明
如下。
(下轉第 72 頁)
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