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 $x$ .

(IMO2022/3)

N8. Chứng minh rằng với mỗi số nguyên dương $n$ , số $5^n-3^n$ không chia hết cho số $2^n+65$ .

—

Các phần khác đã được đăng ở

Đại số: https://nttuan.org/2024/05/06/isl2022-algebra/

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

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

Bản pdf của IMO SL từ 2014 đến 2021: https://nttuan.org/2023/07/02/isl/

Sau khi sửa một vài chỗ, bản pdf của IMO SL 2022 sẽ được đăng trong link trên.

IMO 2024: Problems and results

Ngày thi thứ nhất (16/7/2024)

Bài 1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3358923

Tìm tất cả các số thực $\alpha$ sao cho với mỗi số nguyên dương $n$ , số

$[\alpha]+[2\alpha]+\cdots+[n\alpha]$

chia hết cho $n$ .

Bài 2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3358926

Tìm tất cả các cặp số nguyên dương $(a,b)$ sao cho tồn tại các số nguyên dương $g$ và $N$ thỏa mãn

$\gcd (a^n+b,b^n+a)=g$

với mọi số nguyên $n\geq N$ .

Bài 3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3358932

Cho dãy vô hạn các số nguyên dương $(a_n)_{n\geq 1}$ và số nguyên dương $N$ . Giả sử với mọi số nguyên $n>N$ , $a_n$ bằng số lần xuất hiện của $a_{n-1}$ trong dãy số $a_1$ , $a_2$ , $\ldots$ , $a_{n-1}$ . Chứng minh rằng một trong hai dãy số $(a_{2n-1})_{n\geq 1}$ và $(a_{2n})_{n\geq 1}$ là tuần hoàn kể từ lúc nào đó.

Ngày thi thứ hai (17/7/2024)

Bài 4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359767

Cho $ABC$ là một tam giác với $AB < AC < BC$ . Gọi tâm đường tròn nội tiếp và đường tròn nội tiếp của tam giác $ABC$ lần lượt là $I$ và $\omega$ . Gọi $X$ là điểm trên đường thẳng $BC$ , khác $C$ , sao cho đường thẳng qua $X$ song song với $AC$ tiếp xúc với $\omega$ . Tương tự, gọi $Y$ là điểm trên đường thẳng $BC$ , khác $B$ , sao cho đường thẳng qua $Y$ song song với $AB$ tiếp xúc với $\omega$ . Đường thẳng $AI$ cắt lại đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ tại $P$ . Gọi $K$ và $L$ lần lượt là trung điểm của $AC$ và $AB$ . Chứng minh rằng $\angle KIL + \angle YPX = 180^{\circ}$ .

Bài 5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359777

Ốc sên Turbo chơi trò chơi sau trên một bảng ô vuông cỡ $2024\times 2023$ . Trong $2022$ ô vuông con nào đó, có các con quỷ nấp ở đó. Ban đầu, Turbo không biết ô nào có quỷ, nhưng nó biết rằng trên mỗi hàng có đúng một con quỷ, trừ hàng đầu tiên và hàng cuối cùng, và trên mỗi cột có không quá một con quỷ.

Turbo thực hiện một dãy các phép thử để tìm cách đi từ hàng đầu đến hàng cuối của bảng. Tại mỗi lần thử, nó được quyền chọn một ô bất kỳ trên hàng đầu để xuất phát, sau đó liên tục di chuyển giữa các ô, mỗi bước từ một ô sang một ô có chung cạnh với ô mà nó đang đứng (nó được phép đến các ô đã từng đi qua). Nếu nó tới một ô có quỷ thì lần thử này dừng lại và nó được đưa trở lại hàng đầu để thực hiện một lần thử khác. Những con quỷ không di chuyển, và Turbo nhớ mỗi ô mà nó ghé qua có quỷ hay không. Nếu nó tới được một ô bất kỳ trên hàng cuối thì trò chơi kết thúc.

Xác định giá trị nhỏ nhất của $n$ sao cho Turbo luôn có chiến lược đảm bảo tới được hàng cuối cùng sau không quá $n$ lần thử, cho dù các con quỷ có nấp ở đâu.

Bài 6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359771

Một hàm số $f:\mathbb{Q}\to\mathbb{Q}$ được gọi là đẹp nếu với mỗi số hữu tỷ $x$ và $y$ , $f(x+f(y))=f(x)+y$ hoặc $f(f(x)+y)=x+f(y)$ . Chứng minh rằng tồn tại số nguyên $c$ sao cho với mọi hàm số đẹp $f$ , có không quá $c$ số hữu tỷ có dạng $f(r)+f(-r)$ , với số hữu tỷ $r$ nào đó. Tìm giá trị nhỏ nhất của các số $c$ có tính chất này.

Ban tổ chức quyết định điểm xếp giải như sau:

HCV: $\geq 29$ , HCB: $\geq 22$ , HCĐ: $\geq 16$ .

Đội tuyển Việt Nam được 2 HCB và 3 HCĐ. Đội đứng thứ 33 về tổng điểm.

Top 10 đội có điểm cao nhất. Đội tuyển Trung Quốc đứng thứ hai, sau nhiều năm đứng thứ nhất.

Top 10 thí sinh có điểm cao nhất. Haojia Shi lần thứ hai đạt 42/42 điểm. 🙂

Nguồn ảnh: https://www.imo-official.org/

Connected graph

Một đồ thị (xem lại [2]) khác rỗng $G$ được gọi là liên thông nếu mỗi hai đỉnh của nó được nối với nhau bởi một đường đi (xem lại [3]).

Định lý 1. Các đỉnh của một đồ thị liên thông $G$ có thể đánh số $v_1$ , $v_2$ , $\ldots$ , $v_n$ sao cho $G_i:=G[v_1,v_2,\ldots,v_i]$ là đồ thị liên thông với mọi $i$ .

Chứng minh. Lấy một đỉnh $v_1$ , và giả sử đã đánh số được các đỉnh $v_1$ , $v_2$ , $\ldots$ , $v_i$ thỏa mãn tính chất trong định lý, ở đây $i<\mid G\mid.$ Giả sử $v$ là một đỉnh khác tất cả các đỉnh đã được đánh số. Vì $G$ là đồ thị liên thông nên tồn tại đường đi $P$ nối $v$ với $v_1$ . Chọn $v_{i+1}$ là đỉnh cuối của $P$ mà không thuộc $G_i$ , khi đó $v_{i+1}$ có một láng giềng trong $G_i$ và $G_{i+1}$ liên thông. $\Box$

Hệ quả. Một đồ thị liên thông trên $n$ đỉnh sẽ có ít nhất $n-1$ cạnh.

Chứng minh. Quy nạp theo $n$ và dùng định lý 1. Bạn đọc tự chứng minh xem như một bài tập. $\Box$

Cho đồ thị $G=G(V,E)$ . Một đồ thị con liên thông cực đại (cực đại theo nghĩa không có đồ thị con liên thông chứa và khác nó, xem lại [2]) của $G$ được gọi là thành phần liên thông của $G$ . Đương nhiên, các thành phần liên thông là các đồ thị con cảm sinh (xem lại [2]) của $G$ , và tập các đỉnh của chúng lập thành một phân hoạch của $V$ . Một đồ thị là liên thông nếu và chỉ nếu nó có đúng một thành phần liên thông.

Ví dụ 1. Cho $G$ là một đồ thị với $m$ cạnh và $p$ thành phần liên thông. Chứng minh rằng $m+p\geq \mid G\mid$ .

Lời giải. Gọi $n_i$ là số đỉnh của thành phần liên thông thứ $i$ . Khi đó số cạnh của thành phần liên thông thứ $i$ không bé hơn $n_i-1$ , do đó

$m\geq \sum (n_i-1)=-p+\sum n_i=\mid G\mid -p,$

và bài toán được giải. $\Box$

Ví dụ 2. Cho $G$ là một đồ thị con không liên thông của $K_n$ . Chứng minh rằng $\overline{G}$ là một đồ thị con liên thông của $K_n$ .

Lời giải. Gọi $G^{\prime}$ là một thành phần liên thông của $G$ . Vì $G$ không liên thông nên $G\setminus G^{\prime}$ khác rỗng. Do tính cực đại của thành phần liên thông, không có cạnh nào của $G$ nối một đỉnh của $G^{\prime}$ với một đỉnh của $G\setminus G^{\prime}$ . Suy ra trong $\overline{G}$ , mỗi đỉnh của $G^{\prime}$ sẽ nối với mỗi đỉnh của $G\setminus G^{\prime}$ .

Vậy muốn chứng minh $\overline{G}$ liên thông, ta chỉ cần chứng minh hai đỉnh cùng thuộc $G^{\prime}$ hoặc $G\setminus G^{\prime}$ được nối với nhau. Nếu hai đỉnh cùng thuộc $G^{\prime}$ thì ta nối chúng với nhau qua một đỉnh của $G\setminus G^{\prime}$ , và ngược lại. $\Box$

Cho số tự nhiên $k$ . Một đồ thị $G=(V,E)$ được gọi là $k-$liên thông nếu $k<\mid G\mid$ và $G\setminus X$ vẫn là đồ thị liên thông với mọi $X\subset V$ mà $\mid X\mid<k$ . Số $k$ lớn nhất sao cho $G$ là $k-$ liên thông được gọi là chỉ số liên thông của $G$ , ký hiệu $k(G)$ .

Ví dụ 3. $k(K_n)=n-1$ với mỗi số nguyên dương $n$ .

Lời giải. Bạn đọc tự giải xem như bài tập. $\Box$

Định lý 2 (Whitney, 1932). Cho đồ thị $G=(V,E)$ với $\mid G\mid\geq 3$ . Khi đó $G$ là $2-$ liên thông khi và chỉ khi với hai đỉnh phân biệt bất kỳ của $G$ , tồn tại hai đường đi rời nhau nối chúng (hai đường đi được gọi là rời nhau nếu chúng không có đỉnh trong chung).

Chứng minh. Khẳng định đúng hiển nhiên khi $\mid G\mid =3$ . Bây giờ ta xét $\mid G\mid >3$ . Đầu tiên, giả sử với hai đỉnh phân biệt bất kỳ của $G$ tồn tại hai đường đi rời nhau nối chúng. Gọi $w$ là một đỉnh bất kỳ và $u,v$ là hai đỉnh khác nhau của $G\setminus\{w\}$ . Giữa $u$ và $v$ sẽ có hai đường đi rời nhau nối chúng, $w$ sẽ không thuộc một trong hai đường này, ký hiệu $P$ . Ta có $P$ là một đường trong $G\setminus\{w\}$ nối $u$ và $v$ . Suy ra $G\setminus\{w\}$ liên thông, do đó $G$ là $2-$ liên thông.

Bây giờ giả sử $G$ là $2-$ liên thông và tồn tại hai đỉnh phân biệt $u$ và $v$ mà không có hai đường đi rời nhau. Vì $\mid G\mid >3$ nên tồn tại ít nhất hai đường đi nối $u$ và $v$ . Gọi $P$ và $Q$ là hai đường đi nối $u$ và $v$ mà có tập đỉnh chung $S$ có ít phần tử nhất có thể. Lấy $w\in S\setminus \{u,v\}$ và $P_1$ , $P_2$ là phần của $P$ từ $u$ đến $w$ , $w$ đến $v$ . Tương tự ta định nghĩa $Q_1$ và $Q_2$ .

Vì $G$ là $2-$ liên thông, ta có thể lấy một đường đi $R$ ngắn nhất từ một đỉnh $x$ thuộc $(P_1\cup Q_1)\setminus \{w\}$ đến một đỉnh $y$ thuộc $(P_2\cup Q_2)\setminus \{w\}$ mà không qua $w$ . Giả sử mà không làm mất tính tổng quát rằng $x\in P_1$ và $y\in Q_2$ . Gọi $T$ là đường đi nối $u$ với $v$ được hình thành bởi phần $P_1$ nối $u$ với $x$ , và phần $Q_2$ nối $y$ với $v$ , cùng với $R$ . Do cách chọn $R$ , hai đường đi $T$ và $Q_1\cup P_2$ cùng nối $u$ với $v$ nhưng có tập các đỉnh chung là tập con của $S\setminus \{w\}$ , vô lý. $\Box$

Cho một đồ thị $G$ . Đường đi $P$ (không nhất thiết trong $G$ ) được gọi là $G-$ đường nếu $\mid P\mid >1$ và $P\cap G$ chỉ chứa hai đầu mút của $P$ . Kết quả sau cho ta biết cấu trúc của các đồ thị $2-$ liên thông.

Định lý 3. Một đồ thị là $2-$ liên thông khi và chỉ khi nó có thể được dựng từ một chu trình bằng cách bổ sung liên tiếp các $H-$ đường vào các đồ thị $H$ đã được dựng.

Tài liệu tham khảo

[1] https://nttuan.org/2009/08/13/graph01/

[2] https://nttuan.org/2023/09/01/graph02/

[3] https://nttuan.org/2024/06/04/graph03/

Chessboard comeback

Trưa nay tôi được hỏi câu V trong đề thi tuyển sinh vào lớp 10 Chuyên toán năm học 2024-2025 của Hà Nội. Trong bài này tôi sẽ phát biểu bài toán tổng quát và giới thiệu một lời giải của bài toán đó.

Bài toán. Cho một số nguyên $n$ lớn hơn $1$ và một bảng ô vuông cỡ $n\times n$ . Ban đầu một số ô vuông của bảng được tô màu đỏ. Sau đó mỗi giây, các ô vuông có chung cạnh với ít nhất hai ô đỏ sẽ được tô đỏ. Hỏi ban đầu cần tô ít nhất bao nhiêu ô vuông để sau một thời gian, tất cả các ô của bảng đều được tô đỏ?

Lời giải. Cần tô màu ít nhất $n$ ô để sau một thời gian, tất cả các ô của bảng đều được tô đỏ.

Mỗi ô vuông con được xem là có cạnh $1$ . Gọi $k$ là số ô được tô đỏ ban đầu, và ở mỗi thời điểm gọi $S$ là tổng chu vi của các vùng được tô đỏ. Ta thấy ban đầu $S\leq 4k$ và nếu tất cả các ô của bảng mang màu đỏ thì $S=4n$ . Để ý rằng sau mỗi giây $S$ không tăng. Vì thế, nếu sau một thời gian các ô đều mang màu đỏ thì $4k\geq 4n$ , suy ra $k\geq n$ .