Maths Olympiad Prep

Library / /24 of 44

Algebra Difficulty 6.0 National olympiad Prove it Russia

Let a1,a2,a3,a_1, a_2, a_3, \dots be an infinite sequence of real numbers such that for each n2018n \ge 2018 the number an+1a_{n+1} is the smallest root of the polynomial
Pn(x)=x2n+a1x2n2+a2x2n4++an. P_n(x) = x^{2n} + a_1 x^{2n-2} + a_2 x^{2n-4} + \dots + a_n.
Prove that there exists a positive integer NN such that the sequence aN,aN+1,aN+2,a_N, a_{N+1}, a_{N+2}, \dots is strictly decreasing.

Solution

Пусть n2018n \ge 2018. Заметим, что Pn(a)=Pn(a)P_n(a) = P_n(-a) при всех aa. Значит, поскольку Pn(x)P_n(x) имеет ненулевой корень, он имеет и отрицательный корень, откуда an+1<0a_{n+1} < 0.

Далее, поскольку Pn+1(x)=x2Pn(x)+an+1P_{n+1}(x) = x^2 P_n(x) + a_{n+1}, имеем
Pn+1(an+1)=an+12Pn(an+1)+an+1=0+an+1<0. ()P_{n+1}(a_{n+1}) = a_{n+1}^2 P_n(a_{n+1}) + a_{n+1} = 0 + a_{n+1} < 0. \ (*)

Так как степень многочлена Pn+1(x)P_{n+1}(x) чётна, а старший коэффициент положителен, при достаточно больших по модулю отрицательных xx он принимает положительные значения. Теперь из (*) следует, что у этого многочлена есть корень на интервале (,an+1)(-\infty, a_{n+1}). Значит, и an+2<an+1a_{n+2} < a_{n+1}.

Итак, мы получили, что an+2<an+1a_{n+2} < a_{n+1} при всех n2018n \ge 2018. Это означает, что последовательность (a2019,a2020,a2021,)(a_{2019}, a_{2020}, a_{2021}, \dots) — убывающая.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.