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 $\lim a_n=L=1$ . $\Box$

Ramsey numbers

Các bạn đọc lại các bài sau để theo dõi cho dễ:

[1] https://nttuan.org/2024/01/24/naive-definition-of-probability/

[2] https://nttuan.org/2024/06/02/probability-space/

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

—

Trong khi chuẩn bị cho các kỳ thi chọn học sinh giỏi, các bạn học sinh có lẽ đã gặp ví dụ sau nhiều lần.

Ví dụ 1. Trong mỗi nhóm sáu người luôn có ba người đôi một quen nhau hoặc đôi một không quen nhau.

Lời giải. Gọi $A$ là một người trong nhóm sáu người ta đang quan tâm. Vì với mỗi một trong năm người còn lại, $A$ sẽ quen hoặc không quen người đó, suy ra trong năm người còn lại ta tìm được ba người, gọi là $B$ , $C$ , $D$ , mà $A$ cùng quen hoặc cùng không quen họ. Giả sử mà không làm mất tính tổng quát rằng $A$ quen cả ba người $B$ , $C$ , và $D$ . Nếu trong $B$ , $C$ , và $D$ có hai người quen nhau, chẳng hạn là $B$ và $C$ thì ba người $A$ , $B$ , và $C$ đôi một quen nhau. Nếu không, $B$ , $C$ , và $D$ đôi một không quen nhau. $\Box$

Chứng minh là ví dụ đầu tiên của lý thuyết Ramsey. Không khó khăn lắm ta thấy với một nhóm ít hơn sáu người thì kết luận không còn đúng.

Bây giờ cho mỗi người ứng với một đỉnh của đồ thị đầy đủ $K_6$ trên sáu đỉnh. Hai người được nối với nhau bởi một cạnh đỏ nếu họ quen nhau, được nối với nhau bởi một cạnh xanh nếu họ không quen nhau. Theo ví dụ trên thì với mọi cách tô các cạnh của $K_6$ bởi hai màu, luôn có $K_3$ mà các cạnh của nó mang cùng một màu. Hơn nữa, kết luận không còn đúng nếu thay $K_6$ bởi $K_n$ với $n<6$ . Kết quả sẽ thay đổi thế nào nếu thay $K_3$ bởi $K_{\alpha}$ ? Ta xét bài toán tổng quát sau:

Bài toán. Cho một số nguyên dương $\alpha$ . Tồn tại hay không số nguyên dương $n$ có tính chất: Với mỗi cách tô màu các cạnh của $K_n$ bởi hai màu, luôn có $K_{\alpha}$ mà các cạnh mang cùng một màu. Số nguyên dương $n$ nhỏ nhất có tính chất này bằng bao nhiêu?

Với câu hỏi đầu tiên thì định lý tổng quát sau cho câu trả lời là tồn tại. Câu hỏi thứ hai rất khó, hiện tại ta không thể tính được $n$ như một hàm của $\alpha$ trong tình huống tổng quát mà chỉ có thể ước lượng nó.

Định lý 1 (Ramsey). Cho $s$ và $t$ là hai số nguyên lớn hơn $1$ . Khi đó tồn tại số nguyên dương $n$ có tính chất: Với mỗi cách tô màu các cạnh của $K_n$ bởi hai màu xanh và đỏ, $K_n$ có đồ thị con $K_s$ với các cạnh xanh hoặc có đồ thị con $K_t$ với các cạnh đỏ. Nếu ký hiệu $R(s,t)$ là số nguyên dương $n$ nhỏ nhất có tính chất này thì

$R(s,t)\leq R(s,t-1)+R(s-1,t)$

mỗi khi $s$ và $t$ lớn hơn $2$ .

Các số $R(s,t)$ được gọi là các số Ramsey. Phần thảo luận lúc đầu cho ta biết $R(3,3)=6$ . Từ bất đẳng thức trên ta có thể tìm được một cận trên của các số Ramsey. Mục đính chính của bài là dùng phương pháp xác suất đưa ra một cận dưới của các số $R(k,k)$ , chúng được gọi là các số Ramsey đối xứng.

Chứng minh. Ta chứng minh bằng quy nạp theo $s$ và $t$ . Lập luận đơn giản ta thu được $R(k,2)$ , $R(2,k)$ đều tồn tại và bằng $k$ với mọi $k>1$ .

Bây giờ giả sử $R(s,t-1)$ và $R(s-1,t)$ đều tồn tại, ở đây $s$ và $t$ là các số nguyên lớn hơn $2$ . Đặt $\alpha=R(s,t-1)+R(s-1,t)$ . Xét một cách tô màu các cạnh của $K_{\alpha}$ bởi một trong hai màu xanh và đỏ. Gọi $v$ là một đỉnh của $K_{\alpha}$ . Mỗi một trong $\alpha-1$ đỉnh còn lại của $K_{\alpha}$ được nối với $v$ bởi một cạnh xanh hoặc đỏ. Suy ra, trong các đỉnh này có $R(s-1,t)$ đỉnh được nối với $v$ bởi cạnh xanh, hoặc có $R(s,t-1)$ đỉnh được nối với $v$ bởi cạnh đỏ. Ta xét tình huống thứ nhất, tình huống còn lại được lập luận hoàn toàn tương tự. Xem $R(s-1,t)$ đỉnh như một đồ thị đầy đủ. Theo giả thiết quy nạp, trong đồ thị đầy đủ này có $K_{s-1}$ với các cạnh xanh hoặc $K_t$ với các cạnh đỏ. Nếu có $K_t$ với các cạnh đỏ thì ta có điều phải chứng minh, nếu có $K_{s-1}$ với các cạnh xanh thì thêm $v$ vào ta có đồ thị con $K_s$ của $K_{\alpha}$ với các cạnh xanh, và ta cũng có điều cần chứng minh. $\Box$

Định lý 2. Với mỗi số nguyên $k>3$ , ta có $R(k,k)>2^{k/2}$ .

Chứng minh (của Paul Erdos). Xét một số nguyên $n$ thỏa mãn $k\leq n\leq 2^{k/2}$ . Định lý sẽ được chứng minh nếu ta chỉ ra rằng tồn tại một cách tô màu các cạnh của $K_n$ bởi hai màu xanh và đỏ, sao cho trong $K_n$ không có $K_k$ với các cạnh cùng màu.

Tô màu mỗi cạnh của $K_n$ bởi một trong hai màu xanh và đỏ một cách ngẫu nhiên. Như vậy ta có một không gian xác suất rời rạc với không gian mẫu $\Omega$ là tập tất cả các cách tô màu, và với mỗi biến cố $A$ , xác suất xảy ra $A$ bằng $\mid A\mid /\mid\Omega\mid$ .

Gọi $X$ là biến cố: trong $K_n$ không có $K_k$ với các cạnh cùng màu. Ta cần chứng $\mathbb{P}(X)>0$ . Với mỗi đồ thị con đầy đủ trên $k$ đỉnh của $K_n$ , gọi $Y_{\alpha}$ là biến cố: $\alpha$ có các cạnh cùng màu. Khi đó

$\displaystyle\mathbb{P}(Y_{\alpha})=\frac{\mid Y_{\alpha}\mid }{\mid \Omega\mid}=\frac{2\cdot 2^{C_n^2-C_k^2}}{2^{C_n^2}}=2^{1-C_k^2},$

do đó

$\mathbb{P}(X)=1-\mathbb{P}(\overline{X}) =1-\mathbb{P}\left(\bigcup_{\alpha}Y_{\alpha}\right)\geq 1-\sum_{\alpha}\mathbb{P}(Y_{\alpha})=1-C_n^k2^{1-C_k^2}.$

Mà ta lại có

$\displaystyle C_n^k2^{1-C_k^2}<\frac{n^k}{k!}\cdot 2^{1-C_k^2}\leq \frac{2^{k^2/2}}{k!}\cdot 2^{1-C_k^2}=\frac{2^{1+\frac{k}{2}}}{k!}< 1,$

suy ra $\mathbb{P}(X)>0$ . $\Box$

IMO Shortlist 2023: Geometry

G1. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359760p31218557

Cho $ABCDE$ là một ngũ giác lồi thỏa mãn $\angle ABC = \angle AED = 90^\circ.$ Giả sử trung điểm của $CD$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABE$ . Gọi $O$ là tâm của đường tròn ngoại tiếp tam giác $ACD$ . Chứng minh rằng đường thẳng $AO$ đi qua trung điểm của đoạn thẳng $BE$ .

G2. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359729p31218382

Cho tam giác $ABC$ với $AC > BC$ . Gọi $\omega$ là đường tròn ngoại tiếp tam giác $ABC$ , và $r$ là bán kính của nó. Điểm $P$ được chọn trên ${AC}$ sao cho $BC=CP,$ và điểm $S$ là chân đường vuông góc hạ từ $P$ xuống ${AB}$ . Tia $BP$ cắt lại $\omega$ tại $D$ . Điểm $Q$ được chọn trên đường thẳng $SP$ sao cho $PQ = r$ và $S$ , $P$ , $Q$ thẳng hàng theo thứ tự đó. Cuối cùng, gọi $E$ là một điểm thỏa mãn ${AE} \perp {CQ}$ và ${BE} \perp {DQ}$ . Chứng minh rằng $E$ nằm trên $\omega$ .

G3. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359737p31218405

Cho tứ giác nội tiếp $ABCD$ với $\angle BAD < \angle ADC$ . Gọi $M$ là trung điểm của cung $CD$ không chứa $A$ . Giả sử có một điểm $P$ nằm trong $ABCD$ sao cho $\angle ADB = \angle CPD$ và $\angle ADP = \angle PCB$ . Chứng minh rằng các đường thẳng $AD$ , $PM$ , và $BC$ đồng quy.

G4. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3106748p28097552

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 $BAC$ . (IMO2023/2)

G5. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359731p31218385

Cho tam giác nhọn $ABC$ với đường tròn ngoại tiếp $\omega$ có tâm là $O$ . Các điểm $D\neq B$ và $E\neq C$ nằm trên $\omega$ sao cho $BD\perp AC$ và $CE\perp AB$ . Giả sử $CO$ cắt $AB$ tại $X$ , và $BO$ cắt $AC$ tại $Y$ . Chứng minh rằng các đường tròn ngoại tiếp các tam giác $BXD$ và $CYE$ cùng đi qua một điểm thuộc đường thẳng $AO$ .

G6. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359733p31218391

Cho tam giác nhọn $ABC$ với đường tròn ngoại tiếp $\omega$ . Một đường tròn $\Gamma$ tiếp xúc trong với $\omega$ tại $A$ và tiếp xúc với $BC$ tại $D$ . Các đường thẳng $AB$ và $AC$ cắt $\Gamma$ lần lượt tại $P$ và $Q$ . Gọi $M$ và $N$ là các điểm nằm trên $BC$ sao cho $B$ là trung điểm của $DM$ và $C$ là trung điểm của $DN$ . Các đường thẳng $MP$ và $NQ$ cắt nhau tại $K$ , và cắt lại $\Gamma$ lần lượt tại $I$ và $J$ . Tia $KA$ cắt đường tròn ngoại tiếp tam giác $IJK$ tại $X\neq K$ . Chứng minh rằng $\angle BXP = \angle CXQ$ .

G7. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3359736p31218400

Cho tam giác nhọn $ABC$ với trực tâm $H$ . Gọi $\ell_a$ là đường thẳng đi qua điểm đối xứng với $B$ qua $CH$ và điểm đối xứng với $C$ qua $BH$ . Các đường thẳng $\ell_b$ và $\ell_c$ được xác định tương tự. Giả sử ba đường thẳng $\ell_a$ , $\ell_b$ , và $\ell_c$ xác định một tam giác $\mathcal T$ . Chứng minh rằng trực tâm của $\mathcal T$ , tâm đường tròn ngoại tiếp của $\mathcal T$ , và $H$ thẳng hàng.

G8. https://artofproblemsolving.com/community/c6h3107345p28104331

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. (IMO2023/6)

Bipartite graph

Một đồ thị $G$ được gọi là hai phần (hay lưỡng phân) nếu $V(G)$ có thể phân hoạch thành hai tập con $X$ và $Y$ , sao cho mỗi phần tử của $E(G)$ có một đầu mút trong $X$ và đầu mút còn lại trong $Y$ . Khi đó $X$ và $Y$ được gọi là các phần của đồ thị lưỡng phân. Ta ký hiệu đồ thị lưỡng phân với hai phần $X$ và $Y$ bởi $G[X,Y]$ . Nếu trong $G[X,Y]$ , mọi đỉnh thuộc $X$ được nối với mọi đỉnh của $Y$ thì $G[X,Y]$ được gọi là đồ thị lưỡng phân đầy đủ.

Ví dụ 1. Gọi $X$ và $Y$ lần lượt là tập các cầu thủ bóng đá và tập các câu lạc bộ trong một thành phố. Khi đó ta có đồ thị lưỡng phân $G[X,Y]$ , ở đây $x\in X$ được nối với $y\in Y$ khi và chỉ khi $x$ đã từng chơi cho $y$ .

Ví dụ 2 (Bài toán tối ưu trong đường sắt). Giả sử ta có một lịch trình các chuyến tàu cùng các điểm dừng của chúng, và cần tìm một tập hợp các ga tàu càng nhỏ càng tốt sao cho mọi chuyến tàu ghé thăm ít nhất một trong các ga đã chọn. Bài toán này có thể được mô hình hóa như một bài toán trên đồ thị lưỡng phân có các phần là tập các chuyến tàu và tập các ga tàu, mỗi chuyến tàu nối với ga mà nó sẽ dừng.

Bây giờ chúng tôi sẽ giới thiệu một số kết quả cơ bản về đồ thị hai phần.

Định lý 1. Cho đồ thị lưỡng phân $G[X,Y]$ không có đỉnh cô lập và thỏa mãn $\deg (x)\geq \deg (y)$ với mọi $xy\in E(G)$ ( $x\in X$ và $y\in Y$ ). Khi đó $\mid X\mid \leq \mid Y\mid$ . Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi $\deg (x)= \deg (y)$ với mọi $xy\in E(G)$ ( $x\in X$ và $y\in Y$ ).

Chứng minh. Vì $G$ không có đỉnh cô lập nên với mỗi $(x,y)\in X\times Y$ , ta có

$\displaystyle \sum_{y^{\prime}\in N(x)}\frac{1}{\deg (x)}=\sum_{x^{\prime}\in N(y)}\frac{1}{\deg (y)}=1.$

Suy ra

$\displaystyle \mid X\mid =\sum_{x\in X}\sum_{y\in N(x)}\frac{1}{\deg (x)}=\sum_{\substack{(x,y)\in X\times Y\\ xy\in E(G)}}\frac{1}{\deg x},$

và

$\displaystyle \mid Y\mid =\sum_{y\in Y}\sum_{x\in N(y)}\frac{1}{\deg (y)}=\sum_{\substack{(x,y)\in X\times Y\\ xy\in E(G)}}\frac{1}{\deg y}.$

Kết hợp với giả thiết $\deg (x)\geq \deg (y)$ với mọi $xy\in E(G)$ ( $x\in X$ và $y\in Y$ ) ta có những điều cần chứng minh. $\Box$

Định lý 2. Một đồ thị là lưỡng phân khi và chỉ khi nó không chứa chu trình độ dài lẻ.

Chứng minh. Nếu một đồ thị là lưỡng phân thì dọc theo một chu trình của nó, các đỉnh thuộc hai phần sẽ xuất hiện luân phiên. Vì thế, mỗi chu trình trong đồ thị lưỡng phân phải có độ dài là số chẵn. Bây giờ xét một đồ thị $G$ không chứa chu trình với độ dài là số lẻ. Ta chỉ cần xét tình huống $G$ là một đồ thị liên thông.

Gọi $T$ là một cây bao trùm trong $G$ (nó tồn tại theo [1]), và chọn một đỉnh $r$ làm gốc của cây này. Gọi $C$ là tập tất cả các đỉnh mà đường đi trong $T$ nối $r$ với nó có độ dài chẵn, và $L$ là tập tất cả các đỉnh mà đường đi trong $T$ nối $r$ với nó có độ dài chẵn. Khi đó $V(G)$ được phân hoạch thành hai phần $C$ và $L$ .

Ta sẽ chứng minh $G$ là đồ thị lưỡng phân với các phần là $L$ và $C$ . Xét hai đỉnh kề nhau $x$ và $y$ của $G$ . Nếu $xy\in T$ thì độ dài của $rTx$ và độ dài của $rTy$ khác tính chẵn-lẻ, do đó trong hai đỉnh $x$ , $y$ có một đỉnh thuộc $C$ và đỉnh còn lại thuộc $L$ . Nếu $xy\not \in T$ , từ giả thiết ta thấy chu trình $xTy\cup xy$ có độ dài chẵn. Theo phần chứng minh trước thì mỗi cạnh khác $xy$ thuộc chu trình này có các đầu mút thuộc hai phần khác nhau của phân hoạch, suy ra $x$ và $y$ thuộc hai phần khác nhau của phân hoạch. $\Box$