Maths Olympiad Prep

Library / /21 of 25

Algebra Difficulty 7.1 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Positive numbers a1,a2,,ana_1, a_2, \dots, a_n are written on the board in a row.
For every i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, n, Vasya wishes to write a number biaib_i \ge a_i so that for every i,j{1,2,,n}i, j \in \{1, 2, \dots, n\}, at least one of the ratios bi/bjb_i/b_j and bj/bib_j/b_i is an integer. Prove that Vasya can reach this goal so

that b1b2bn2(n1)/2a1a2an. \text{that } b_1 b_2 \dots b_n \le 2^{(n-1)/2} a_1 a_2 \dots a_n.

Положительные числа a1,a2,,ana_1, a_2, \dots, a_n записаны в ряд на доске.
Для каждого i=1,2,,ni = 1, 2, \dots, n Вася хочет записать число biaib_i \ge a_i так, чтобы для любых i,j{1,2,,n}i, j \in \{1, 2, \dots, n\} хотя бы одно из отношений bi/bjb_i/b_j и bj/bib_j/b_i было целым числом. Докажите, что Вася может достичь этого так, что

b1b2bn2(n1)/2a1a2an. b_1 b_2 \dots b_n \le 2^{(n-1)/2} a_1 a_2 \dots a_n.

Solution

Prove that there exists even a collection of such bib_i's such that each bi/bjb_i/b_j is a power of 22. For this purpose, for each ii choose such collection with bi=aib_i = a_i and minimal possible bjb_j's with jij \neq i. The product of all n2n^2 numbers in these nn collections is at most (2(n1)/2a1a2an)n(2^{(n-1)/2} a_1 a_2 \cdots a_n)^n.

Мы докажем, что существуют даже числа b1,b2,,bnb_1, b_2, \dots, b_n, удовлетворяющие следующим (более сильным) условиям:
(1) biaib_i \ge a_i при всех ini \le n;
(2) b1b2bn2(n1)/2a1a2anb_1b_2\dots b_n \le 2^{(n-1)/2} a_1a_2\dots a_n;
(3) отношение любых двух из чисел bib_i является степенью двойки (с целым показателем).

Заметим, что доказываемое утверждение не изменится, если какое-то из чисел aka_k (а с ним и соответствующее bkb_k) умножить на некоторую степень двойки. Умножим каждое из чисел aka_k на степень двойки так, чтобы все полученные числа лежали в промежутке [1,2)[1, 2).
Не умаляя общности можно считать, что 1a1a2an<21 \le a_1 \le a_2 \le \dots \le a_n < 2. Покажем теперь, что одна из следующих nn последовательностей удовлетворяет всем трём условиям:

a1,a1,2a1,2a1,,2a1,2a1;a2,a2,2a2,2a2,,2a2,2a2;a3,a3,a3,2a3,,2a3,2a3;an1,an1,an1,an1,,an1,2an1;an,an,an,an,,an,an. \begin{align*} a_1, & \quad a_1, \quad 2a_1, \quad 2a_1, \quad \dots, \quad 2a_1, \quad 2a_1; \\ a_2, & \quad a_2, \quad 2a_2, \quad 2a_2, \quad \dots, \quad 2a_2, \quad 2a_2; \\ a_3, & \quad a_3, \quad a_3, \quad 2a_3, \quad \dots, \quad 2a_3, \quad 2a_3; \\ & \dots \\ a_{n-1}, & \quad a_{n-1}, \quad a_{n-1}, \quad a_{n-1}, \quad \dots, \quad a_{n-1}, \quad 2a_{n-1}; \\ a_n, & \quad a_n, \quad a_n, \quad a_n, \quad \dots, \quad a_n, \quad a_n. \end{align*}

Поскольку для любых kk и ll выполнено неравенство 2al2>ak2a_l \ge 2 > a_k, каждая из последовательностей удовлетворяет (1). Кроме того, каждая из последовательностей, очевидно, удовлетворяет (3).
Осталось показать, что хотя бы одна из них удовлетворяет (2).
Для этого заметим, что произведение всех n2n^2 чисел во всех nn последовательностях равно
2(n1)+(n2)++0a1na2nann=(2(n1)/2a1a2an)n. 2^{(n-1)+(n-2)+\dots+0} \cdot a_1^n a_2^n \dots a_n^n = (2^{(n-1)/2} a_1 a_2 \dots a_n)^n .
Следовательно, произведение чисел хотя бы в одной из последовательностей не превосходит 2(n1)/2a1a2an2^{(n-1)/2} a_1 a_2 \dots a_n, что и требовалось.

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.