第44屆國際數學奧林匹克競賽試題與解答

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第
44
屆國際數學奧林匹亞競賽試題與參考解答
傅承德*洪文良**
*中央研究院統計科學研究所
**國立新竹師範學院數學教育系
2003
年第
44
屆國際數學奧林匹亞競賽
(I
MO)
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。
本屆試題經由主辦圓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-道代數
題、二道數論題、三道幾何題及-道組合題,
其中第」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→|面金牌、二面銀牌、三面銅牌,在
82
隊中名列第十六名
O
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
屆國際數學奧林匹
E
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
S
=
{I
,2"" ,1
OOOOOO}
,而
A
是一個恰有
101
個元素的
S
的于集合。試證,在
S
中存
在著
t
p
t2,
"',
t
lO
01
吏得下面的這些集合
Aj={x+tl|xε
A}
,
j=1,2
,"',
100
任何相異的兩個都不相交。
-
33
一
科學教育月刊
第二題:
第
258
期
中華民國九十二年五月
第六題:
求所有能使
-JdJ
4
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|合等於這兩個對邊長的
和的
J3
/2
倍。試證這六邊形的所有內角都
相等。
(一個凸六邊形
ABCDEF
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:
LABC
的分角線,正三
ADC
的分角
線和
AC
這三線交於一點。
第五題:
設
n
為一個正整數且
Xl
歪
X
2
歪
...三
X
n
均為
實數。試證
(~tlx
,
-xii
JS
2(n;-
1)
有Ix.
-xii)
三寸和
-xjt
證明上式中等號成立的充分必要條件是
X
i'
吧,"',
X
n
為一個等差序列。
設
p
為一個質數。試證:存在一個質數
q'
使得對所有的整數
n
,
nP-
p
都不能被
q
整
除
O
二、第
44
屆國際數學奧林匹
E
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
國名
總結
金
銀 銅
參賽
次
牌 牌
牌
人數
保加
227
6O O 6
利亞
2
中國
211
5O6
大陸
3
美國
188
4 2 O6
4
越南
172
236
5
俄羅斯
167
3 2 6
6
韓國
157
24O6
7
羅馬
143
46
尼亞
8
土耳其
133
3 6
9
日本
131
3 2 6
10
匈牙利
128
3 6
10
英國
128
2 3 6
12
加拿大
119
2O3 6
12
哈薩克
119
2 2 6
14
烏克蘭
118
2 3 6
15
印度
115
O4 6
16
台灣
114
2 2 6
17
德國
112
2 6
17
伊朗
112
O3 2 6
19
泰國
111
3 6
19
白俄
111
2 2 6
羅斯
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
第
2
第
3
第
4
第
5
第
6
總分
獎牌
題 題
題
題
題
題
黃紹倫
7 7 O7 7
29
金牌
葉仲恆
73O74O
21
銀牌
黃道生
2 3 O7 7
20
銀牌
趙{,、宇
73O7O
18
銅牌
林金毅
73O7OO
17
銅牌
廖紹棠
2OOO7O9
榮譽
獎
-
34
一
三、第
44
屆國際數學奧林匹亞競賽試
題詳解
第一題:
令
S
=
{I
,2
,.··,
1000000}
.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
t
1
,
t2,...,
two
使得下面的這些集合
Aj
={x+t
jI
x ε
斗
,
j=1,2, ..., 100
參考解答:考慮集合
D={x-y/x
,
y
ε
A}
•
則集合
D
的元素個數至多有
101
x100+1=
10101
個。因為兩個集合
A+
再與
A+t;
具有非空交集的充分必要條
件為
t;
-t
j
ED
。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。假設我們己選取
k
個元素,此
處
k
5,
99
0
(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
x+D
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
10101k
5,
999999)
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
S
={1
,
2
,...,叫,且
m
是一個
正整數使得的
(m
一咐叫,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
t
l'
毛,...,
t
m
使得下面的這些集合
數學學習模姐的開發與設計一
f
e
百元商店」
Aj={x+tjlx
ε
A}
,
j=1,2, ..., m
任何相異的兩個都不相交。
參考解答:考慮集合
B={x-yl
仙
,
y
ε
斗,
則集合
B
的元素個數至多有的
+1
個。
我們僅需要證明:在
S
中存在著叭,
t2,
...,
t,
{吏得
It;
一伊瓦
i
#
j
。
底下我們以數學歸納法選取
t
1
,
t2,
...,
t
m
。
在
S
中選取一個元素
t
1
=
1
且考慮集合
C,
=s
(B
叫。則
IC
, I
~
n-((
如例
m
一味)+
1)
。
對於
1
三
i
假設叭,已,
...,
t;
已被選取且
只已被定義.
I
只
I>(m-i
叫(~
)+抖。
因此,我們可由集合
c;
選取一個最小元素
t;+l
而且考慮集合
C
叫=只
(B+
九
I)
。則
AU
〉一
、、
••••
,',
.....
+
、、
EEEBEESJ
tk
弓,‘
',
phEBEEt
、
',
EE--
‘、、
、‘
••
/
勻,-
m
Ja--1
>
、‘
••••
','
,
..
A
+
、‘
EEEBEES/
ZK
啥,必
,
ill-a
、
',
SEE--
‘、
ct
〉一
+
ct
依照上述的方式,我們可選取符合題意的
t
l'
t2,...,tm
林金毅同學的解法:
由題意設
A={al.a2..··
,
aJOlll
至
at
<a2<al<... <
a
lOJ
三
1000000}
。定義
1000000
個集合:
A(p)={x+plx
ε
A}
,
其中
p
屬於
S·
則在
S
中選出滿足題設條件
的叭
,
t
2
,
...,
two
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。
-35
一
科學教育月刊
第
258
期
中攀民國九十二年五月
個
Aυ
戶、
d
nυ
'、
M
有
多
至
P
A
P
個
每
對
而
p'>p
使得
A(p)
和
A(p')
的交集是非
空。此因而這必然是存在一對
u>
ν
屬於
{1
,
2
,...,
lOl}
使得
A(p)
的第
U
個元素和
A(p')
的第
ν
個元素相同而對於每一對
u>
ν
屬於
{I
,
2""
,
IOI}
恰有一
p'>p
使得
au
+
p'=
αν
+p
或
αu+p=αν
+p'
成立。
(事實上,若
u<
ν
則
au
+
p=
吭
+p'
不可
能成立)由於這樣
U
,
ν
共有
5050
組,所以這
樣的
p'
也至多有
5050
個。
來
起
HHHJ
Z
呵,
J
L
』』 E
封
UU
、‘
...
',
Aυ
AUAU
nυ
Aυ
Aυ
11
',
az
、
A
、‘.,
J
呵,亭
,, -E
、
A
、‘
..
,
J
1
且
,,.‘、、
A
把
選,現逐次選取
t
1'
已
,
t
100
t}
=1,tn
+1
=
選完
t
n
後可以選的最小數。其中
t
n
不可以選的就
是
A(t
n
)
會和之前選出的某
A( ι)
的交集非
空。於是只在每次選完
t
n
時把那些會和他有
交集的集合
A(t'n)
(至多有
5050
個)和
A( 丸)
(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
n
三
100
'可以選出
t
n
﹒
我們利用反證法,假設不然。則由以上選法
知:選完了
t
n
-
1
以後,從
1
,
2, .."
1000000
共
1000000
都不可以選了。但是選了
n
一
1
次最
多排除了
5051(n
一
1)
三
5051
x
99
<
1000000
可
以選。矛盾。
所以叭,
t2,
"',
t}
∞都選出來了.,這些
-36
一
t
1'
九,
"',
t
100
根據選法確實滿足題意。
第二題:
求所有能使
勻
α2
,
成為正整數的正
2α
b
L.
_b
J+1
整數對
(a
,
b)
。
k=a
‘
>0
2abL.
_b
J
+1
勻,
•_b1
=今
2α
b
L.
_b
J+1 >
O.α>
一一一-
22b
L.
=今
a
三至
2
根據上式,可得
k
三或
α2
主
b
2
(2
α
-b)+I
,
(=今
a
2
>
b
2
(2
α
-b)
這
O
因此
Equation
Section (Next)
a>
bor
2α
=b
(1)
對於固定正整數
k
和
b
'
考慮方程式
。
2_2
粉、
+
k
(b
3-1) =0(2)
的兩根吭,到(假設
α~α2
)。由根與係數關
係知:
a
+a
2=
2
的
2
,
α
la
2
=k(b
3
-I)
。
根據上述,我們可得:
a
孟晶
2>
O.
0
三弘一
k(b
3
一
1)J(b3
一
1)
一一一
-
•
a
l
品
結合
(1)式可得:到
=0
恥之(此處
b
必
為偶數)。
(i)
若
a
2
=
0
則
b
3
-1
=0
。因此
aI=
泣
,
b
=
1
。
(ii)
若
ι=
主貝
IJk=
主且
a
,
=ELE
o
• 2 4 2 2
由上述的討論可知滿足題意的序對徊
,
b)
為:對於某個正整數
f
仰
,
b)
=
(2
孔
1)
或肘,
2£)
或
(8£4
-
£,訂).
註解
1
:
(l)式的另一種解法:固定
α
三
l
且考
慮方程式元(
b)
=2ab2-b3+1
0
則元。)
在區間[。于]是遞增函數
在區間
[字,∞)是遞減函數由此可得
la(
α)
la(2a
-1)
la(2a
+
1)
=a3+
1>
a2,
=
4a
2
-4
α+2>
a2,
=
-4α
2
-4a
<
O.
G
因此,若
b
主
a
且一一一是一個正整數則
元。)
b=2a
0
若
α
三
b
三于則元
(b)
主的)
>
a
2
且
一旦一不是一個正整數。(矛盾)
元。)
若
b>
于則
(i)
若
b
這
2a+1
則
fa
(b)
三元
(2a
+
1)
<0
(矛盾)
;
(山若
b
三
2a
一
1
則元
(b)
三
λ
(2a
一
1)
>a2
,
且
主
L
不是一個正整數。(矛盾)
元
(b)
註解
2:
此題有很多種解法,底下列出其中
三種。
數學學習棋姐的開發與設計一
r
e
百元商店」
解法
(-~)
: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
D=(2b
2
k-
bt
+4k-b
2
=d
2
(i)
若
e
=2b2k-b=d
'
則
4k=b
2
且
今
b
b
a=
2b
L
k
一一‘一.
2'2
(ii)
若
e
",
d
,
則
Id
2
一叫去
2e
一
l
叫“一作
4
吭一
2b
一
l
(iii)
若
4k-b
2
>0
'則
b
=
1
。
其他情形是無解。
解法(二)
:假設
b
乎在
l
且令
s=g
叫
2a
,
b
3
一
1),
2a =
su
,
b
3
一
1
=
st'
,2ab2-b3+1=
st
.
則
t+t'
=
ub
2
且
gcd
仙
,
t)
=1
0
由
stl
α2
可
得
tis
令
s
=
rt.
則原問題可簡化成底下的引
理:
引理:令
b
,
r
,
t
,
t'
,
U
是滿足昕一
1
=
rtt'
與
t+t'
=
ub
2
的正整數。則
r
=
1
且
t
,
t'
,
u
三數
之中有一為
1
。
證明:由昕一
1
=
rtt'
與
t+t'
=
ub
2
可得
昕一
1=
叫
ub
2
-t)
=
川'(
ub2-
t)
0
因
rt
2
三
rt
,
2
三
l(modb
2
)
,
若
rt
2
'"
1
且
rt,2
'"
1
'則
t
,
t'
>
土。我們可得
'l
r
主
I
ub
2
一主|主
b
3
-1
除非
r=u=
1.
*l
~~
*J
解法(三)
:我們治用上述的符號,因
rt2I(b3
-1
t
'
所以僅需要證明底下的引理:
7r
句
3
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