IMO2025/3

Trong bài này tôi sẽ giới thiệu một lời giải của bài 3 trong đề IMO 2025. Đề thi đầy đủ tôi đã đăng ở đây: https://nttuan.org/2025/07/01/imo-2025-problems-and-results/ .

IMO2025/3. Một hàm $f:\mathbb{N}^*\to\mathbb{N}^*$ được gọi là bonza nếu $f(a)\mid b^a-f(b)^{f(a)}$ với mọi số nguyên dương $a$ và $b$ .
Xác định hằng số thực nhỏ nhất $c$ sao cho $f(n)\leqslant cn$ với mọi hàm bonza $f$ và mọi số nguyên dương $n$ .

imo2025p3 Download

Viet Nam TST 2025/1

Trong bài này tôi sẽ giới thiệu một lời giải của bài 1 trong kỳ thi chọn đội IMO 2025 của Việt Nam.

VNTST2025/1. Tìm tất cả các hàm số $f:\mathbb{Q}^+\to\mathbb{Q}^+$ sao cho với mỗi số hữu tỷ dương $x$ và $y$ , ta có

$\displaystyle\frac{f(x)f(y)}{f(xy)}=\frac{(\sqrt{f(x)}+\sqrt{f(y)})^2}{f(x+y)}.$

Lời giải. Trả lời: $f(x)=4,\,\forall x\in \mathbb{Q}^+$ hoặc $f(x)=x^2,\,\forall x\in \mathbb{Q}^+$ . Kiểm tra ta thấy hai hàm số này thỏa mãn các yêu cầu của đề bài, sau đây ta chứng minh không còn hàm số nào khác.

Giả sử $f:\mathbb{Q}^+\to\mathbb{Q}^+$ là một hàm số thỏa mãn các yêu cầu của đề bài. Khi đó với mỗi số hữu tỷ dương $x$ và $y$ ,

$\displaystyle\frac{f(x)f(y)}{f(xy)}=\frac{(\sqrt{f(x)}+\sqrt{f(y)})^2}{f(x+y)}.\quad\quad (1)$

Gọi $S$ là tập các số thực dương có dạng $\sqrt{r}$ , trong đó $r$ là một số hữu tỷ dương. Xét hàm số $g:\mathbb{Q}^+\to S$ xác định bởi $g(x)=\sqrt{f(x)}$ với mọi số hữu tỷ dương $x$ . Từ $(1)$ ta được

$\displaystyle\frac{g(x)g(y)}{g(xy)}=\frac{g(x)+g(y)}{g(x+y)}$

với mọi số hữu tỷ dương $x$ và $y$ . (2)

Từ $(2)$ , với $x=y=1$ ta thu được $g(2)=2$ . Cũng từ $(2)$ , với mỗi số hữu tỷ dương $x$ và $y$ ta có $(g(x)+g(y))^2$ là một số hữu tỷ. Suy ra $g(x)g(y)$ là một số hữu tỷ với mọi số hữu tỷ dương $x$ và $y$ . Nói riêng, khi $y=2$ ta có $g(x)$ là một số hữu tỷ dương với mọi số hữu tỷ dương $x$ . Trong $(2)$ , chọn $y=2$ và $x=3$ ta có

$\displaystyle\frac{2g(3)}{g(6)}=\frac{g(3)+2}{g(5)}.\quad (3)$

Cũng từ $(2)$ , với $y=1$ ta có

$\displaystyle g(x+1)=\frac{1}{g(1)}g(x)+1$

với mọi số hữu tỷ dương $x$ . (4)

Từ đây ta tính được cả ba số $g(3)$ , $g(5)$ và $g(6)$ theo $g(1)$ . Thay lại $(3)$ và chú ý $g(1)$ là một số hữu tỷ dương ta có $g(1)\in \{1;2\}$ . Đến đây ta xét từng trường hợp.

Trường hợp 1: $g(1)=2$ .

Bằng quy nạp theo $n$ , từ (4) ta có $g(n)=2$ và

$\displaystyle g(x+n)=\frac{1}{2^n}g(x)+2-\frac{1}{2^{n-1}}$

với mọi số nguyên dương $n$ và số hữu tỷ dương $x$ . (5)

Bây giờ xét một số hữu tỷ dương $r$ . Tồn tại vô hạn số nguyên dương $n$ sao cho $rn$ là một số nguyên dương. Với các số $n$ này, từ (2) ta có

$\displaystyle g(r)=\frac{g(r)+2}{g(r+n)}.$

Như vậy $g(r+n)$ không đổi, kết hợp với (5) ta có $g(r)=2$ . Suy ra $g(x)=2$ với mọi số hữu tỷ dương $x$ .

Trường hợp 2: $g(1)=1$ .

Bằng quy nạp theo $n$ , từ (4) ta có $g(n)=n$ và

$g(x+n)=g(x)+n$ với mọi số nguyên dương $n$ và số hữu tỷ dương $x$ . (6)

Bây giờ xét một số hữu tỷ dương $r$ . Tồn tại số nguyên dương $n$ sao cho $rn$ là một số nguyên dương. Trong (2), chọn $x=r$ và $y=n$ , đồng thời dùng (6) ta có $g(r)=r$ . Suy ra $g(x)=x$ với mọi số hữu tỷ dương $x$ .

Như vậy $f(x)=4,\,\forall x\in \mathbb{Q}^+$ hoặc $f(x)=x^2,\,\forall x\in \mathbb{Q}^+$ . $\Box$

IMO Shortlist 2023: Algebra

Phần Hình học các bạn xem ở đây https://nttuan.org/2024/11/02/isl2023-geometry/

A1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359728p31218381

Giáo sư Oak đang cho $100$ Pokemon của mình ăn. Mỗi Pokemon có một chiếc bát có sức chứa là số thực dương kilogam. Những sức chứa này đã được Giáo sư biết đến. Tổng sức chứa của tất cả các bát là $100$ kg. Giáo sư Oak phân phát $100$ kg thức ăn theo cách mà mỗi Pokemon nhận được số nguyên không âm kg thức ăn (có thể lớn hơn dung tích của bát). Mức độ không hài lòng của Pokemon nhận được $N$ kg thức ăn và bát của nó có sức chứa $C$ kg là $\lvert N-C\rvert$ . Tìm số thực nhỏ nhất $D$ sao cho bất kể dung tích của các bát như thế nào, Giáo sư Oak có thể phân phát thức ăn sao cho tổng các mức độ không hài lòng của tất cả các Pokemon nhiều nhất là $D$ .

A2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359723p31218373

Cho hàm số $f:\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R}$ thỏa mãn $f(x+y)f(x-y)\geqslant f(x)^2-f(y)^2$ với mọi số thực $x$ và $y$ . Giả sử có bất đẳng thức thực sự với hai số thực $x_0$ và $y_0$ nào đó. Chứng minh rằng $f(x)\geqslant 0$ với mọi $x\in\mathbb{R}$ hoặc $f(x)\leqslant 0$ với mọi $x\in\mathbb{R}$ .

A3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107339p28104298

Cho $2023$ số thực dương $x_1,x_2,\ldots,x_{2023}$ đôi một khác nhau thỏa mãn $a_n=\sqrt{\left(x_1+x_2+\cdots+x_n\right)\left(\frac{1}{x_1}+\frac{1}{x_2}+\cdots+\frac{1}{x_n}\right)}$ là số nguyên với mọi $n=1,2,\ldots,2023$ . Chứng minh rằng $a_{2023}\geq 3034$ . (IMO2023/4)

A4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359742p31218446

Tìm tất cả các hàm số $f \colon \mathbb R_{>0} \to \mathbb R_{>0}$ sao cho

$x \cdot \left(f(x) + f(y)\right) \geq \left(f(f(x)) + y\right) \cdot f(y)$ với mọi $x, y \in \mathbb R_{>0}$ .

A5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359722p31218372

Cho các số nguyên dương $a_1,a_2,\dots,a_{2023}$ thỏa mãn

(1) $a_1,a_2,\dots,a_{2023}$ là một hoán vị của $1$ , $2$ , $\dots$ , $2023$ , và

(2) $|a_1-a_2|,|a_2-a_3|,\dots,|a_{2022}-a_{2023}|$ là một hoán vị của $1$ , $2$ , $\dots$ , $2022$ .

Chứng minh rằng $\max(a_1,a_{2023})\ge 507$ .

A6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106754p28097579

Với số nguyên $k>1,$ tìm tất cả các dãy vô hạn số nguyên dương $a_1,a_2,\ldots$ sao cho tồn tại đa thức $P$ với hệ số nguyên không âm có dạng $P(x)=x^k+c_{k-1}x^{k-1}+\cdots+c_1x+c_0$ để $P(a_n)=a_{n+1}a_{n+2}\cdots a_{n+k}$ với mọi số nguyên dương $n.$ (IMO2023/3)

A7. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359726p31218377

Cho số nguyên dương $N$ . Chứng minh rằng có ba hoán vị $a_1$ , $\dots$ , $a_N$ , $b_1$ , $\dots$ , $b_N$ , và $c_1$ , $\dots$ , $c_N$ của $1$ , $\dots$ , $N$ sao cho $\left|\sqrt{a_k}+\sqrt{b_k}+\sqrt{c_k}-2\sqrt{N}\right|<2023$ với mọi $k=1,2,\dots,N$ .

VMO 2025/1

VMO 2025/1. Xét đa thức $P(x)=x^4-x^3+x$ .
(1) Chứng minh rằng với mỗi số thực dương $a$ , đa thức $P(x)-a$ có duy nhất một nghiệm thực dương.
(2) Xét dãy số $(a_n)_{n\geq 1}$ xác định bởi $a_1=1/3$ và với mỗi số nguyên dương $n$ , $a_{n+1}$ là nghiệm dương của đa thức $P(x)-a_n$ . Chứng minh rằng dãy số này có giới hạn hữu hạn và tìm giới hạn đó.

Lời giải. Xét một số thực dương $a$ và hàm số $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ xác định bởi $f(x)=P(x)-a,\quad\forall x\in\mathbb{R}.$ Hàm số $f$ là một hàm số liên tục trên $(0;+\infty)$ và

$\displaystyle \lim_{x\to 0^+} f(x)=-a<0,\quad\lim_{x\to+\infty}f(x)=+\infty,$

từ đây theo định lý giá trị trung gian, phương trình $f(x)=0$ có ít nhất một nghiệm thực dương. Mặt khác, hàm số $f$ đồng biến trên $(0;+\infty)$ vì

$\displaystyle f^{\prime}(x)=4x^3-3x^2+1=(2x-1)^2\left(x+\frac{1}{4}\right)+\frac{3}{4}>0$

với mọi số thực dương $x$ , suy ra phương trình $f(x)=0$ có đúng một nghiệm thực dương. Do đó phương trình $P(x)-a=0$ có đúng một nghiệm thực dương. Nghiệm này là nghiệm đơn của đa thức $P(x)-a$ nên ta có ý thứ nhất.

Bây giờ ta đến với ý thứ hai. Từ giả thiết ta có

$a_n-1=(a_{n+1}-1)(a_{n+1}^3+1),\quad\forall n\geq 1,$

sử dụng phương pháp quy nạp ta chứng minh được tất cả các số hạng của dãy $(a_n)_{n\geq 1}$ đều thuộc khoảng $(0;1)$ . Suy ra

$a_{n+1}-a_n=a_{n+1}^3(1-a_{n+1})>0,\quad\forall n\geq 1,$

do đó $(a_n)_{n\geq 1}$ là một dãy số tăng. Dãy số này cũng bị chặn trên bởi $1$ nên nó có giới hạn hữu hạn. Gọi $L$ là giới hạn của dãy số $(a_n)_{n\geq 1}$ . Vì $(a_n)_{n\geq 1}$ tăng và các số hạng đều thuộc khoảng $(0;1)$ , nên $0<L\leq 1$ .

Từ $P(a_{n+1})=a_n$ với mọi số nguyên dương $n$ , ta có $L^4-L^3+L=L,$ suy ra $\lim a_n=L=1$ . $\Box$

IMO Shortlist 2022: Number theory

N1. Một số nguyên dương được gọi là số Na Uy nếu nó có ba ước dương phân biệt có tổng bằng $2022$ . Xác định số Na Uy nhỏ nhất.

N2. Tìm tất cả các số nguyên dương $n>2$ sao cho

$\displaystyle n! \mid \prod_{ p<q\le n,\quad p,q\in\mathbb{P}} (p+q).$

N3. Cho $a > 1$ là một số nguyên dương và $d > 1$ là một số nguyên dương nguyên tố cùng nhau với $a$ . Đặt $x_1=1$ và với $k\geq 1$ , $x_{k+1} = x_k + d$ nếu không chia hết $x_k$ , $=x_k/a$ nếu $a$ chia hết $x_k$ . Tìm, theo $a$ và $d$ , số nguyên dương $n$ lớn nhất mà tồn tại chỉ số $k$ sao cho $x_k$ chia hết cho $a^n$ .

N4. Tìm tất cả các bộ ba số nguyên dương $(a,b,p)$ sao cho $p$ là số nguyên tố và $a^p=b!+p.$

(IMO2022/5)

N5. Đối với mỗi $i\in [9]$ và $T\in\mathbb{N}^*$ , ký hiệu $d_i(T)$ là số lần chữ số $i$ xuất hiện khi tất cả các bội của $1829$ trong $[T]$ được viết ra theo cơ số $10$ . Chứng minh rằng có vô số $T\in\mathbb{N}^*$ sao cho có đúng hai giá trị phân biệt trong các số $d_1(T)$ , $d_2(T)$ , $\dots$ , $d_9(T)$ .

N6. Cho $Q$ là một tập hợp không nhất thiết hữu hạn các số nguyên tố. Đối với một số nguyên dương $n$ , xét phân tích ra thừa số nguyên tố của nó: gọi $p(n)$ là tổng của tất cả các số mũ và $q(n)$ là tổng của các số mũ tương ứng với các số nguyên tố trong $Q$ . Số nguyên dương $n$ được gọi là đặc biệt nếu $p(n)+p(n+1)$ và $q(n)+q(n+1)$ đều là số nguyên chẵn. Chứng minh rằng tồn tại một hằng số $c>0$ không phụ thuộc $Q$ sao cho với mọi số nguyên dương $N>100$ , số các số nguyên đặc biệt trong $[N]$ ít nhất là $cN$ .

N7. Gọi $k$ là một số nguyên dương và $S$ là một tập hữu hạn các số nguyên tố lẻ. Chứng minh rằng có nhiều nhất một cách (sai khác phép quay và đối xứng) để đặt các phần tử của $S$ xung quanh một đường tròn sao cho tích của hai số cạnh nhau bất kỳ có dạng $x^2+x+k$ với một số nguyên dương $x$ .