IMO Shortlist 2022: Algebra

Trong bài này tôi sẽ dịch phần Đại số trong cuốn IMO Shortlist 2022. Các năm trước bạn có thể tìm ở đường dẫn https://nttuan.org/2023/07/02/isl/.

Các phần khác trong cuốn IMO Shortlist 2022 tôi đã để ở các bài dưới đây:

Hình học https://nttuan.org/2023/09/08/isl2022-geometry/

Tổ hợp https://nttuan.org/2023/09/29/isl2022-combinatorics/

A1. Cho $(a_n)_{n\geq 1}$ là một dãy số thực dương có tính chất $(a_{n+1})^2 + a_na_{n+2} \leq a_n + a_{n+2}$ với mọi số nguyên dương $n$ . Chứng minh rằng $a_{2022}\leq 1.$

A2. Cho một số nguyên $k\ge2$ . Tìm số nguyên $n \ge k+1$ nhỏ nhất sao cho tồn tại một tập $n$ số thực có tính chất: mỗi phần tử của nó có thể viết được dưới dạng tổng của $k$ phần tử phân biệt khác của tập hợp.

A3. Gọi $\mathbb{R}^+$ là tập hợp các số thực dương. Tìm tất cả các hàm $f: \mathbb{R}^+ \to \mathbb{R}^+$ sao cho với mỗi $x \in \mathbb{R}^+$ , có đúng một $y \in \mathbb {R}^+$ thỏa mãn $xf(y)+yf(x) \leq 2$ . (IMO2022/2)

A4. Gọi $n \geqslant 3$ là một số nguyên và $x_1,x_2,\ldots,x_n$ là các số thực trong đoạn $[0,1]$ . Đặt $s=x_1+x_2+\ldots+x_n$ và giả sử rằng $s \geqslant 3$ . Chứng minh rằng tồn tại các số nguyên $i$ và $j$ với $1 \leqslant i<j \leqslant n$ sao cho $2^{j-i}x_ix_j>2^{s-3}.$

A5. Tìm tất cả các số nguyên dương $n \geqslant 2$ sao cho tồn tại $n$ số thực $a_1<\cdots<a_n$ và số thực $r>0$ để $\frac{1}{2}n( n-1)$ hiệu $a_j-a_i$ với $1 \leqslant i<j \leqslant n$ bằng, theo một thứ tự nào đấy, các số $r^1,r^2,\ldots,r^{\frac{ 1}{2}n(n-1)}$ .

A6. Chúng ta nói rằng một hàm $f\colon\mathbb R\to\mathbb R$ là tốt nếu $f(x + f(y)) = f(x) + f(y)$ với mọi $x,y\in\mathbb R$ . Tìm tất cả các số hữu tỉ $q$ sao cho với mọi hàm tốt $f$ , tồn tại một số thực $z$ sao cho $f(z) = qz$ .

A7. Với số nguyên dương $m$ , ký hiệu $s(m)$ là tổng các chữ số của $m$ trong hệ thập phân. Gọi $P(x)=x^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0$ là một đa thức, trong đó $n \geqslant 2$ và $a_i$ là một số nguyên dương với mọi $0 \leqslant i \leqslant n-1$ . Có thể xảy ra với mỗi số nguyên dương $k$ , $s(k)$ và $s(P(k))$ có cùng tính chẵn – lẻ?

A8. Với số nguyên dương $n$ , một $n$ -dãy là một dãy $(a_0,\ldots,a_n)$ gồm các số nguyên không âm có tính chất: nếu $i$ và $j$ là các số nguyên không âm với $i+j \leqslant n$ , thì $a_i+a_j \leqslant n$ và $a_{a_i+a_j}=a_{i+j}$ . Gọi $f(n)$ là số $n$ -dãy. Chứng minh rằng tồn tại các số thực dương $c_1$ , $c_2$ và $\lambda$ sao cho $c_1\lambda^n<f(n)<c_2\lambda^n$ với mọi số nguyên dương $n$ .

IMO 2023: Problems and results

Bài viết này có hai phần: Phần thứ nhất là đề thi IMO 2023, phần thứ hai là kết qủa của kỳ thi.

Ngày thi thứ nhất, 8/7/2023

Bài 1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106752

Tìm tất cả các hợp số $n$ có tính chất: nếu $d_1, d_2, \ldots, d_k$ là tất cả ước dương của $n$ với $1=d_1<d_2<\cdots<d_k=n$ , thì $d_i$ chia hết $d_{i+1}+d_{i+2}$ với mọi $1 \leqslant i \leqslant k-2$ .

Bài 2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106748

Cho tam giác nhọn $ABC$ với $AB<AC$ . Gọi $S$ là điểm chính giữa của cung $BC$ chứa $A$ của $(ABC)$ . Đường thẳng qua $A$ vuông góc với $BC$ cắt $BS$ tại $D$ và cắt lại $(ABC)$ tại $E$ . Đường thẳng qua $D$ song song với $BC$ cắt $BE$ tại $L$ . $(BDL)$ cắt lại $(ABC)$ tại $P$ . Chứng minh rằng tiếp tuyến của $(BDL)$ tại $P$ cắt $BS$ trên phân giác của góc $BAC$ .

Bài 3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106754

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 $n.$

Ngày thi thứ hai, 9/7/2023

Bài 4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107339

Cho $2023$ số thực dương $x_1,x_2,\ldots,x_{2023}$ đôi một khác nhau thỏa mãn

$\displaystyle a_n=\sqrt{\left(x_1+x_2+\cdots+x_n\right)\left(\frac{1}{x_1}+\frac{1}{x_2}+\cdots+\frac{1}{x_n}\right)}$

là số nguyên với mọi $n=1,2,\ldots,2023$ . Chứng minh rằng $a_{2023}\geq 3034$ .

Bài 5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107350

Cho $n$ là một số nguyên dương. Một tam giác Nhật Bản gồm $1+2+\cdots+n$ hình tròn được xếp thành một hình tam giác đều sao cho với mỗi $i = 1, 2, ..., n$ , hàng thứ $i$ có đúng $i$ hình tròn và trên hàng đó có đúng một hình tròn được tô màu đỏ. Một đường đi ninja trong một tam giác Nhật Bản là một dãy gồm $n$ hình tròn nhận được bằng cách xuất phát từ hàng trên cùng, đi lần lượt từ một hình tròn xuống một trong hai hình tròn ngay dưới nó, và kết thúc tại hàng dưới cùng. Trong hình vẽ là một tam giác Nhật Bản với $n = 6$ và một đường đi ninja có chứa hai hình tròn màu đỏ.

Như một hàm số của $n$ , tìm giá trị lớn nhất của $k$ sao cho trong mỗi tam giác Nhật Bản luôn có một đường đi ninja chứa ít nhất $k$ hình tròn màu đỏ.

Bài 6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107345

Cho $ABC$ là một tam giác đều. Gọi $A_1,B_1,C_1$ là các điểm nằm trong tam giác $ABC$ sao cho $BA_1=A_1C$ , $CB_1=B_1A$ , $AC_1=C_1B$ , và

$\angle BA_1C+\angle CB_1A+\angle AC_1B=480^\circ.$

Giả sử $BC_1$ và $CB_1$ cắt nhau tại $A_2,$ $CA_1$ và $AC_1$ cắt nhau tại $B_2$ , $AB_1$ và $BA_1$ cắt nhau tại $C_2.$ Chứng minh rằng nếu tam giác $A_1B_1C_1$ là tam giác không cân thì ba đường tròn ngoại tiếp các tam giác $AA_1A_2, BB_1B_2$ và $CC_1C_2$ đi qua hai điểm chung.

Dưới đây là kết quả của IMO 2023.

Continue reading →

International Mathematical Olympiad: Shortlisted Problems

Trong bài này chúng tôi sẽ dịch đề bài từ các bộ IMO Shortlist sang tiếng Việt.

Các bạn có thể tải các tài liệu khác ở https://nttuan.org/download/ .

IMO2014SL_Vie Download

IMO2015SL_Vie Download

Continue reading →

Lucas sequences and Vietnam TST 2023/4b

Cho $P$ và $Q$ là hai số nguyên lẻ nguyên tố cùng nhau thỏa mãn $D=P^2-4Q>0.$ Dãy Lucas $(U_n)$ và dãy Lucas đồng hành $(V_n)$ với tham số $P$ và $Q$ được xác định như sau: $U_0=0,U_1=1,U_n=PU_{n-1}-QU_{n-2},\quad\forall n\geq 2,$ và $V_0=2,V_1=P,V_n=PV_{n-1}-QV_{n-2},\quad\forall n\geq 2.$ Khi $P=1$ và $Q=-1$ ta có $(U_n)$ là dãy số Fibonacci. Vào quãng năm 1996, Paulo Ribenboim và Wayne L. McDaniel đã chứng minh được kết quả:

Định lí. Nếu $n$ là số tự nhiên sao cho một trong bốn số $U_n,2U_n,V_n$ và $2V_n$ là số chính phương thì $n<13.$

Phương pháp của họ như sau. Chẳng hạn giả sử $U_n$ là số một chính phương, khi đó với mỗi số nguyên dương lẻ $M$ nguyên tố cùng nhau với $U_n$ ta có ký hiệu Jacobi $(U_n\mid M)=1.$ Với hầu hết $n,$ họ chọn được các modulo $M_i$ sao cho $\prod (U_n\mid M_i)=-1,$ suy ra $U_n$ không phải là số chính phương, vô lý! Bạn đọc quan tâm có thể đọc trong bài:

$\text{[P-W]}$ Paulo Ribenboim and Wayne L. McDaniel, The Square Terms in Lucas Sequences. Journal of number theory 58, 104 -123 (1996).

Mục đích chính của tôi khi viết bài này chỉ là giới thiệu $\text{[P-W]}$ đến các đồng nghiệp và các học sinh. Trong đó có nhiều kết quả sơ cấp về dãy Lucas và dãy Lucas đồng hành, những dãy số mà chúng ta biết ít hơn so với dãy số Fibonacci. Tiếp theo tôi giới thiệu một lời giải cho bài toán sau, nó là ý b trong bài 4 của đề thi chọn đội tuyển IMO 2023.

Bài toán (TST2023/4b). Cho hai số nguyên dương lẻ $a>2$ và $b$ nguyên tố cùng nhau. Xét dãy số $(x_n)_{n\geq 0}$ xác định bởi $x_0=2,x_1=a,x_{n+2}=ax_{n+1}+bx_n,\quad\forall n\geq 0.$ Chứng minh rằng không tồn tại bộ ba số nguyên dương $(m,n,p)$ sao cho $mnp$ chẵn và $\displaystyle \frac{x_m}{x_nx_p}$ là số chính phương.

Lời giải. Với giả thiết của bài toán ta thấy $(x_n)$ là dãy Lucas đồng hành với tham số $P=a$ và $Q=-b,$ bởi vậy chúng ta có thể dùng các kết quả trong $\text{[P-W]}$ . Giả sử $(m,n,p)$ là một bộ ba số nguyên dương sao cho $mnp$ chẵn và $\displaystyle \frac{x_m}{x_nx_p}$ là số chính phương. Khi đó $x_n\mid x_m$ và $x_p\mid x_m,$ suy ra theo (9) trong $\text{[P-W]}$ (trang 107) ta có $m/n$ và $m/p$ là các số nguyên dương lẻ. Do đó cấp $2-$ adic của $m,n$ và $p$ bằng nhau, để ý thêm $mnp$ chẵn ta có $m,n$ và $p$ đều chẵn. Bây giờ theo bổ đề 1 trong $\text{[P-W]}$ ta có $(2\mid D)=1,$ điều này không thể xảy ra vì $(2\mid D)=(-1)^{\frac{D^2-1}{8}}=-1.$

Bài toán được giải.

—

Vậy tôi giải được bài toán này nhờ tôi biết nhiều, chứ không cần điều gì đặc biệt. Có đúng không các bạn học sinh? 🙂

—

18/04/2023: Anh Nguyễn Xuân Thọ (Đại học Bách Khoa) cho tôi biết là kết quả TST2023/4b này đã có trong Colloquium Mathematicum, Vol. 130, No. 1, 2013.

Một điểm không phù hợp nữa của bài toán này là đoạn đặc trưng các cặp $(m,n)$ sao cho $x_m\mid x_n$ đã có trong đề thi chọn HSG QG năm 2018, cụ thể là Bài 6.

IMO2021/6

Trong bài này tôi giới thiệu hai lời giải cho bài 6 trong đề thi IMO 2021, lời giải thứ hai có dùng bổ đề Siegel mà tôi đã giới thiệu cách đây rất lâu ở đường dẫn https://nttuan.org/2007/10/21/siegel/. Các bạn có thể tìm các bài toán khác trong đề IMO 2021 ở đây https://nttuan.org/2021/07/25/imo2021/

Bài toán (IMO2021/6). Cho số nguyên $m\ge 2,$ $A$ là một tập hữu hạn các số nguyên và $B_1,$ $B_2,$ …, $B_m$ là các tập con của $A$ . Giả sử rằng với mỗi $k=1,2,...,m$ , tổng các phần tử của $B_k$ là $m^k$ . Chứng minh rằng $A$ có ít nhất $\frac{m}{2}$ phần tử.

Lời giải 1. Đặt $k=|A|$ và giả sử $A = \{a_1,a_2,\ldots,a_k\}$ . Từ giả thiết, với mỗi $i\in [m]$ , ta có $\displaystyle m^i = \sum_{j=1}^{k}b_{i,j}a_{j}\quad (1)$ với các $b_{i,j} \in \{0;1\}$ . Với mỗi $0 \le x \le m^{m}-1$ , biểu diễn $mx$ theo cơ số $m$ và kết hợp với $(1)$ ta được $\displaystyle mx = \sum_{j=1}^{k}c_{j}a_{j},$ trong đó các $c_j$ là số nguyên thỏa mãn $0 \le c_j \le (m-1)m,\quad\forall j\in [k]$ . Vế trái của đẳng thức này nhận đúng $m^{m}$ giá trị, do đó $\displaystyle m^{m} \le [m(m-1)+1]^{k} < m^{2k},$ suy ra $|A|=k>m/2$ . $\Box$

Continue reading →