Cho $m$ và $n$ là các số nguyên lớn hơn $1$ . Trong mỗi ô vuông đơn vị của lưới $m\times n$ có một đồng xu với mặt trái hướng lên trên. Một phép toán bao gồm các bước sau.

chọn một hình vuông $2\times 2$ trong lưới;
lật các đồng xu ở ô đơn vị trên cùng bên trái và dưới cùng bên phải;
lật đồng xu ở ô vuông đơn vị trên cùng bên phải hoặc dưới cùng bên trái.

Xác định tất cả các cặp $(m,n)$ sao cho mọi đồng xu đều hiện mặt phải sau một số hữu hạn lần thực hiện phép toán.

C2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359755p31218537

Xác định số nguyên dương $L$ lớn nhất sao cho tồn tại một dãy các số nguyên dương $a_1,\dots,a_L$ có tính chất: mỗi số hạng của dãy không lớn hơn $2^{2023}$ , và không có các số hạng liên tiếp $a_i,a_{i+1},\dots,a_j$ (ở đây $1\le i\le j\le L$ ) với một cách chọn dấu $s_i,s_{i+1},\dots,s_j\in\{1,-1\}$ để

$s_ia_i+s_{i+1}a_{i+1}+\dots+s_ja_j=0.$

C3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107350p28104367

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. (IMO2023/5)

C4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359724p31218375

Cho $n\geqslant 2$ là một số nguyên dương. Paul có một dải hình chữ nhật cỡ $1\times n^2$ gồm $n^2$ hình vuông đơn vị, trong đó hình vuông thứ $i$ được gắn nhãn $i$ với mọi $1\leqslant i\leqslant n^2$ . Anh ta muốn cắt dải giấy thành nhiều mảnh, trong đó mỗi mảnh bao gồm một số ô vuông đơn vị liên tiếp, sau đó dịch chuyển (không xoay hoặc lật) các mảnh để thu được hình vuông $n\times n$ thỏa mãn tính chất sau: nếu hình vuông đơn vị trong hàng $i$ và cột $j$ được gắn nhãn $a_{ij}$ , thì $a_{ij}-(i+j -1)$ chia hết cho $n$ .

Xác định số mảnh nhỏ nhất mà Paul cần tạo để hoàn thành việc này.

C5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359765p31218619

Elisa có $latex $2023$ rương kho báu, tất cả đều được mở khóa và trống rỗng lúc đầu. Mỗi ngày, Elisa thêm một viên đá quý mới vào một trong những chiếc rương đã mở khóa mà cô ấy chọn, và sau đó, một cô tiên sẽ hành động theo các quy tắc sau:

nếu có nhiều hơn một rương được mở khóa, cô sẽ khóa một trong số chúng, hoặc
nếu chỉ có một rương được mở khóa, cô sẽ mở khóa tất cả các rương.

Cho rằng quá trình này diễn ra mãi mãi, hãy chứng minh rằng tồn tại một hằng số $C$ với tính chất sau: Elisa có thể đảm bảo rằng chênh lệch giữa số viên ngọc trong hai rương bất kỳ không bao giờ vượt quá $latex $C$, bất kể cô tiên hành động như thế nào.

C6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359747p31218478

Cho $N$ là một số nguyên dương và xét một lưới $N \times N$ các ô vuông. Đường dẫn xuống bên phải là một dãy các ô lưới sao cho mỗi ô là một ô ở bên phải hoặc một ô bên dưới ô trước đó trong chuỗi. Đường dẫn lên bên phải là một chuỗi các ô lưới sao cho mỗi ô là một ô ở bên phải hoặc một ô phía trên ô trước đó trong chuỗi.

Chứng minh rằng không thể phân chia các ô của lưới $N \times N$ thành ít hơn $N$ vùng sao cho mỗi vùng là một đường dẫn xuống bên phải xuống hoặc một đường dẫn lên bên phải.

Chẳng hạn, lưới $5 \times 5$ có thể phân chia thành $5$ vùng như hình vẽ.

C7. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359751p31218524

Quần đảo Imomi bao gồm $n\geq 2$ hòn đảo. Giữa mỗi cặp đảo khác nhau có một tuyến phà duy nhất chạy theo cả hai hướng và mỗi tuyến phà được điều hành bởi một trong $k$ công ty. Được biết, nếu bất kỳ công ty nào đóng cửa tất cả các tuyến phà của mình thì một du khách, bất kể bắt đầu từ đâu, sẽ không thể ghé thăm tất cả các hòn đảo đúng một lần (đặc biệt là không quay lại hòn đảo mà du khách bắt đầu). Xác định giá trị lớn nhất có thể có của $k$ theo $n$ .

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 $x$ .

(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.

Vietnam TST 2023/6

Trong bài này tôi giới thiệu một lời giải của bài 6 trong đề thi chọn đội tuyển IMO 2023. Đây là lời giải của tác giả bài toán, không phải lời giải của tôi. Nếu có chỗ sai trong lời giải dưới đây thì đó là lỗi của tôi.

Với mỗi số nguyên dương $m$ , ký hiệu $[m]$ là tập gồm $m$ số nguyên dương đầu tiên.

Bài toán (Vietnam TST 2023/6). Cho số nguyên $n>2$ . Xác định số $k_n$ lớn nhất sao cho với mỗi họ $k_n$ tập con có $3$ phần tử của $[n]$ , luôn tô màu được các phần tử của $[n]$ bởi hai màu để không có tập con nào trong họ có ba phần tử cùng màu.

Lời giải. Với $n=3$ và $n=4$ thì $k_n=C_n^3$ , bởi vì ta có thể tô $2$ phần tử của $[n]$ xanh và $n-2 \leq 2$ phần tử còn lại màu đỏ và không có tập con ba phần tử cùng màu nào cả.

Với $n \geq 5$ thì $k_n \leq 9$ , bởi vì với $10$ tập con có $3$ phần tử của $[5]$ thì với mọi cách tô màu các phần tử $[5]$ bởi $2$ màu luôn có $3$ phần tử cùng màu. Với $n=5$ thì $k_5=9$ , vì với $9$ tập con $3$ phần tử tùy ý luôn có $1$ tập con $3$ phần tử không được chọn, ta có thể tô màu $3$ phần tử này màu xanh và $2$ phần tử còn lại màu đỏ, cách tô màu này thỏa mãn bài toán. Với $n=6$ , ta cũng có $k_6=9$ , vì ta có thể chia $20$ tập con $3$ phần tử của $[6]$ thành $10$ cặp, mỗi cặp là $2$ tập con bù nhau. Với $9$ tập con $3$ phần tử tùy ý của $[6]$ , luôn có $1$ cặp $(A, B)$ mà $A,$ $B$ không được chọn, ta tô $3$ phần tử của $A$ xanh, $3$ phần tử của $B$ đỏ và cách tô màu này thỏa mãn bài toán.

Mệnh đề 1. Với $n\geq 7$ thì $k_n \leq 6$ .

Chứng minh. Tồn tại $7$ tập con có $3$ phần tử của $[7]$ đôi một chung nhau không quá $1$ phần tử. Thật vậy, biểu diễn $1$ , $2, \ldots$ , $7$ là $7$ đỉnh một $7-$ giác đều. Chọn $B_1=\{1,2,4\}$ và $B_i$ là ảnh của $B_1$ quanh tâm đa giác với góc $\frac{2 \pi}{7} \times(i-1)$ . Rõ ràng các $B_i$ (như một tam giác) đôi một không có cạnh chung.

Giả sử tô màu được các phần tử của $[7]$ bởi $2$ màu sao cho không có $B_i$ nào có các phần tử cùng màu. Khi đó mỗi $B_i$ có đúng $2$ cạnh mà $2$ đỉnh của chúng khác màu. Suy ra ta có một đồ thị lưỡng phân $G[X,Y]$ , với $X$ là tập các phần tử xanh và $Y$ là tập các phần tử đỏ, có $14$ cạnh. Điều này không thể xảy ra vì $\mid X\mid +\mid Y\mid =7$ . $\Box$

Mệnh đề 2. Với $n \geq 5$ thì $k_n \geq 6$ .

Chứng minh. Ta chứng minh bằng qui nạp theo $n$ . Theo phần trình bày ở trên thì mệnh đề đúng với $n=5$ và $n=6$ . Với $n \geq 7$ , ta xét một họ gồm $6$ tập con có $3$ phần tử của $[n]$ . Tồn tại hai phần tử $a$ và $b$ của $[n]$ sao cho chúng không cùng thuộc một tập của họ này, vì $C_7^2=21>6 \times C_3^2=18$ . Bỏ $a$ , $b$ và thêm $c$ vào $[n]$ , ta có một cách tô màu thỏa mãn bài toán theo giả thiết quy nạp. Bỏ $c$ và cho lại $a, b$ về tập $[n]$ , sau đó tô màu $a$ và $b$ bởi màu của $c$ , ta có cách tô màu thỏa mãn bài toán. $\Box$