USAMO 2009, Problem 6: A Collection of 7 Solutions

Trong bài này chúng tôi giới thiệu nhiều lời giải cho bài toán sau:

USAMO 2009/6. Cho $(s_n)_{n\geq 1}$ là một dãy không hằng các số hữu tỉ. Giả sử $(t_n)_{n\geq 1}$ cũng là một dãy không hằng các số hữu tỉ thỏa mãn tính chất $(s_i - s_j)(t_i - t_j)$ là một số nguyên với mọi $i$ và $j$ . Chứng minh rằng tồn tại một số hữu tỉ $r$ khác $0$ sao cho $(s_i - s_j)r$ và $(t_i - t_j)/r$ là các số nguyên với mọi $i$ và $j$ .

usa2009p6 Download

IMO 2025 Shortlisted Problems: Geometry

IMO2025SLGeometry Download

USA TSTST 2026

USA TSTST (Team Selection Test Selection Test) là một trong những kỳ thi cốt lõi trong quy trình tuyển chọn đội tuyển Olympic Toán học Quốc tế (IMO) của Hoa Kỳ.

Dưới đây là một số thông tin tổng quan về kỳ thi này:

Thời điểm và đối tượng: Kỳ thi được tổ chức vào cuối chương trình Trại hè Toán học (MOP – Mathematical Olympiad Program). Tất cả học sinh tham gia MOP chưa tốt nghiệp trung học đều đủ điều kiện dự thi.
Cấu trúc đề thi: TSTST mô phỏng chính xác định dạng của kỳ thi IMO. Kỳ thi diễn ra trong 3 ngày, mỗi ngày học sinh phải giải quyết 3 bài toán trong thời gian 4,5 giờ.
Mục tiêu tuyển chọn: Kết quả của TSTST được dùng để chọn ra một nhóm học sinh xuất sắc (thường rơi vào khoảng 25–35 em, tùy chất lượng từng năm) để tham dự chuỗi USA Team Selection Tests (TST) trải dài trong năm học kế tiếp.
Chốt danh sách đội tuyển: Thành tích đạt được ở kỳ thi USAMO cùng với tổng điểm từ các kỳ TST sẽ quyết định 6 thành viên chính thức đại diện Hoa Kỳ tham dự IMO.

Một lưu ý lịch sử thú vị: Trước năm 2011, quy trình tuyển chọn của Hoa Kỳ không có vòng TSTST (chỉ đi thẳng từ MOP → TST → IMO). Việc bổ sung kỳ thi này từ năm 2011 đã giúp mở rộng cơ hội cạnh tranh và chuẩn hóa chuyên nghiệp hơn quy trình tuyển chọn đội tuyển của cường quốc Toán học này.

Dưới đây là đề năm 2026.

usatstst2026 Download

A Proof of Brill’s Theorem via Directional Derivatives

Let $K$ be the field of real numbers $\mathbb{R}$ or the field of complex numbers $\mathbb{C}$ . Given a vector $v = (v_1, \ldots, v_n) \in K^n$ . The directional derivative operator with respect to the vector $v$ , denoted by $D_v$ , is a map from the ring $K[x_1, \ldots, x_n]$ to itself, defined by

$\displaystyle D_v(P) = \sum_{i=1}^n v_i \frac{\partial P}{\partial x_i},$

where $\frac{\partial P}{\partial x_i}$ is the formal partial derivative of the polynomial $P$ with respect to the variable $x_i$ .

Theorem 1. Let $P, Q \in K[x_1, \ldots, x_n]$ , constants $a, b \in K$ , and a linear form $L(x) = c_1x_1 + \ldots + c_nx_n$ . The operator $D_v$ has the following properties.

(1) $D_v(aP + bQ) = aD_v(P) + bD_v(Q)$ .

(2) $D_v(PQ) = D_v(P)Q + P D_v(Q)$ .

(3) For any positive integer $k$ , $D_v(P^k) = k P^{k-1} D_v(P)$ .

(4) $D_v(L) = L(v)$ .

Proof. (1) By the definition of the partial derivative of a polynomial, we have

$\displaystyle \frac{\partial (aP + bQ)}{\partial x_i} = a\frac{\partial P}{\partial x_i} + b\frac{\partial Q}{\partial x_i},$

thus we immediately obtain $\displaystyle D_v(aP + bQ) = aD_v(P) + bD_v(Q).$

(2) Since the formal partial derivative obeys the product rule

$\displaystyle \frac{\partial (PQ)}{\partial x_i} = \frac{\partial P}{\partial x_i}Q + P\frac{\partial Q}{\partial x_i}$ we have

$\displaystyle D_v(PQ) = \sum_{i=1}^n v_i \left( \frac{\partial P}{\partial x_i}Q + P\frac{\partial Q}{\partial x_i} \right)$

$\displaystyle = \left( \sum_{i=1}^n v_i \frac{\partial P}{\partial x_i} \right) Q + P \left( \sum_{i=1}^n v_i \frac{\partial Q}{\partial x_i} \right) = D_v(P)Q + P D_v(Q).$

(3) We prove this by mathematical induction on $k$ .

For $k=1$ , the formula becomes $D_v(P^1) = 1 \cdot P^0 \cdot D_v(P)$ , which is trivially true.

Suppose the property holds for $k-1$ , that is

$\displaystyle D_v(P^{k-1}) = (k-1)P^{k-2}D_v(P).$

Applying (2), we obtain

$\displaystyle D_v(P^k) = D_v(P)P^{k-1} + P D_v(P^{k-1})$

$=D_v(P)P^{k-1} + P \big( (k-1)P^{k-2}D_v(P) \big)=k P^{k-1} D_v(P).$

By the principle of mathematical induction, the property holds for all positive integers $k$ .

(4) For a linear form $L(x) = c_1x_1 + \ldots + c_nx_n$ , we have

$\displaystyle D_v(L) = \sum_{i=1}^n v_i \frac{\partial L}{\partial x_i} = \sum_{i=1}^n v_i c_i = L(v).$

The theorem is completely proved. $\Box$

Theorem 2 (Brill). Suppose $K$ is the field of real numbers $\mathbb{R}$ or the field of complex numbers $\mathbb{C}$ . Let $L_1, L_2, \ldots, L_m$ be $m$ non-zero linear forms in $n$ $(n>1)$ variables that are pairwise non-proportional over $K$ . Then, for any integer $k \ge m-1$ , the set of powers $\{L_1^k, L_2^k, \ldots, L_m^k\}$ is linearly independent over $K$ .

Proof. We prove the theorem by mathematical induction on the number of linear forms $m$ . For $m=1$ , we have 1 non-zero linear form $L_1$ . For any integer $k \ge 0$ , the polynomial $L_1^k$ is not the zero polynomial, so the set consisting of only one element $\{L_1^k\}$ is trivially linearly independent. Thus, the assertion holds for $m=1$ .

Now suppose the assertion holds for $m-1$ linear forms, for some integer $m > 1$ . Consider $m$ non-zero pairwise non-proportional linear forms $L_1, \ldots, L_m$ and an exponent $k \ge m-1$ .

Consider the linear relation

$\displaystyle \sum_{i=1}^m c_i L_i^k = 0$ (1)

where $c_i \in K$ . We need to show that $c_i = 0$ for all $i = 1, \ldots, m$ .

Since $L_m$ is not identically $0$ , the set of points $x \in K^n$ such that $L_m(x) = 0$ is an $(n-1)$ -dimensional vector subspace of the space $K^n$ . At the same time, since $L_i$ is not proportional to $L_m$ for all $i < m$ , the intersection of the two spaces $L_i(x) = 0$ and $L_m(x) = 0$ is an $(n-2)$ -dimensional subspace.

The field $K$ has characteristic $0$ and is therefore an infinite field. A vector space over an infinite field cannot be the union of finitely many proper subspaces (see [1]). Therefore, there exists a vector $v = (v_1, \ldots, v_n) \in K^n$ such that $L_m(v) = 0$ and $\displaystyle L_i(v) \neq 0, \quad \forall i = 1, \ldots, m-1.$

Consider the directional derivative operator with respect to the vector $v$ defined as follows

$\displaystyle D_v = \sum_{j=1}^n v_j \frac{\partial}{\partial x_j}.$

When applying $D_v$ to a linear form $\displaystyle L(x) = a_1x_1 + \ldots + a_nx_n,$

we have $\displaystyle D_v(L) = a_1v_1 + \ldots + a_nv_n = L(v).$

When applying this operator to the $k$ -th power of $L$ , we obtain

$\displaystyle D_v(L^k) = k \cdot L^{k-1} \cdot D_v(L) = k \cdot L(v) \cdot L^{k-1}.$

Applying the operator $D_v$ to both sides of equation (1), we have

$\displaystyle \sum_{i=1}^m c_i k L_i(v) L_i^{k-1} = 0.$

Since $L_m(v) = 0$ , the $m$ -th term vanishes completely. Since $m \ge 2$ , we have $k \ge m-1 \ge 1$ , so we can divide both sides by $k$ (which is valid since $K$ has characteristic $0$ ) to obtain

$\displaystyle \sum_{i=1}^{m-1} \big(c_i L_i(v)\big) L_i^{k-1} = 0.$

Since $k \ge m-1$ , we deduce that $k-1 \ge m-2$ . Applying the inductive hypothesis to $m-1$ linear forms with the exponent $k-1$ , the set of polynomials $\{L_1^{k-1}, \ldots, L_{m-1}^{k-1}\}$ is linearly independent. Therefore, all coefficients in the sum above must be zero. That is,

$\displaystyle c_i L_i(v) = 0, \quad \forall i = 1, \ldots, m-1.$ But by the choice of the vector $v$ , we already have $L_i(v) \neq 0$ , so we must have $\displaystyle c_i = 0, \quad \forall i = 1, \ldots, m-1.$ Substituting $c_1 = \ldots = c_{m-1} = 0$ back into (1), we have $c_m L_m^k = 0$ . Since $L_m$ is not zero, $c_m = 0$ .

Thus $c_1 = c_2 = \ldots = c_m = 0$ , and $\{L_1^k, L_2^k, \ldots, L_m^k\}$ is linearly independent. By the principle of mathematical induction, the theorem is proved. $\Box$

References

[1] https://nttuan.org/2010/02/04/finite-unions-of-proper-subspaces-over-an-infinite-field/

Korea MO 2026 (Final Round)

NGÀY 1: Thứ Bảy, ngày 28 tháng 3 năm 2026

Thời gian làm bài: 14:00 – 18:30 (270 phút)

1. Cho tam giác nhọn $\displaystyle ABC$ có trực tâm $\displaystyle H$ . Gọi $\displaystyle D$ và $\displaystyle E$ lần lượt là chân các đường cao hạ từ các đỉnh $\displaystyle A$ và $\displaystyle C$ xuống các cạnh đối diện. Lấy một điểm $\displaystyle P$ ( $\displaystyle P \neq B, E$ ) nằm trên đoạn thẳng $\displaystyle BE$ , và gọi $\displaystyle Q$ là giao điểm của đường thẳng $\displaystyle PH$ với cạnh $\displaystyle AC$ . Gọi $\displaystyle \ell$ là đường phân giác trong của góc $\displaystyle \angle BAC$ . Đường thẳng đi qua $\displaystyle H$ và song song với $\displaystyle \ell$ cắt đường tròn ngoại tiếp tam giác $\displaystyle BDH$ và đường tròn ngoại tiếp tam giác $\displaystyle HDC$ lần lượt tại $\displaystyle X$ ( $\displaystyle X \neq H$ ) và $\displaystyle Y$ ( $\displaystyle Y \neq H$ ).

Chứng minh rằng ba đường thẳng $\displaystyle PX$ , $\displaystyle QY$ và $\displaystyle \ell$ đồng quy.

2. Một dãy số $\displaystyle \{a_{n}\} (n \ge 1)$ thỏa mãn các điều kiện sau:

$\displaystyle a_{1} = a_{2} = 1$ .
Với mọi số nguyên dương $\displaystyle n$ , ta có $\displaystyle a_{n+2} = a_{n} + \frac{1}{a_{n+1}^{2} + a_{n}^{2}}.$

Hãy xác định xem có tồn tại vô số số nguyên dương $\displaystyle n$ sao cho điều kiện sau đây được thỏa mãn hay không:

$\displaystyle a_{2n}^{3} > \frac{3n}{2} - 2026\sqrt{n}.$

3. Chứng minh rằng tồn tại một số nguyên dương $\displaystyle M$ ( $\displaystyle M \ge 3$ ) sao cho: Với mọi số nguyên $\displaystyle n \ge M$ và với bất kỳ các số nguyên dương $\displaystyle a, b, c$ thỏa mãn $\displaystyle 1 \le a < b < c \le n$ , ta luôn có

$\displaystyle \gcd(a+b+c, ab+bc+ca, abc) < 3n - \sqrt{3n} - 2^{2026}.$

NGÀY 2: Chủ Nhật, ngày 29 tháng 3 năm 2026

Thời gian làm bài: 09:00 – 13:30 (270 phút)

4. Chứng minh rằng không tồn tại bộ số nguyên dương $\displaystyle (p, q, r, n)$ nào thỏa mãn đồng thời cả hai điều kiện sau:

$\displaystyle p, q, r$ là các số nguyên tố.
$\displaystyle p^{n} + q^{n} + r^{n} = 2026(p+q)(q+r)(r+p).$

5. Minsu tham gia một chương trình truyền hình giải đố. Người dẫn chương trình chọn một số nguyên dương nhỏ hơn hoặc bằng $\displaystyle 5$ để làm “Mật mã của ngày”, và Minsu phải tìm ra số này bằng cách đặt câu hỏi. Các câu hỏi và câu trả lời tuân theo quy tắc như sau:

Trong mỗi câu hỏi, Minsu chọn một số nguyên dương $\displaystyle m$ và hỏi người dẫn chương trình xem số mật mã đó có lớn hơn hoặc bằng $\displaystyle m$ hay không.
Với mỗi câu hỏi, người dẫn chương trình chỉ trả lời “có” hoặc “không”. Trong suốt cả cuộc chơi, người dẫn chương trình được phép nói dối tối đa một lần.

Hãy tìm số câu hỏi ít nhất mà Minsu cần phải chuẩn bị để chắc chắn xác định được “Mật mã của ngày”, bất kể người dẫn chương trình có chọn số nào đi chăng nữa.

6. Ký hiệu $\displaystyle \mathbb{R}^{+}$ là tập hợp tất cả các số thực dương. Hãy tìm tất cả các giá trị có thể có của $\displaystyle f(2026)$ đối với hàm số $\displaystyle f:\mathbb{R}^{+} \rightarrow \mathbb{R}^{+}$ thỏa mãn điều kiện: với mọi số thực $\displaystyle x > 0$ và $\displaystyle y > 1$ , ta luôn có