Maths Olympiad Prep

Library / /13 of 46

Number theory Difficulty 5.7 AIME, harder Prove it Russia

Given a positive integer n>1n > 1. An integer a>n2a > n^2 is chosen so that for each i=1,2,,ni = 1, 2, \ldots, n, the set {a+1,a+2,,a+n}\{a + 1, a + 2, \ldots, a + n\} contains a multiple of the number n2+in^2 + i. Prove that a>n4n3a > n^4 - n^3. (A. Golovanov)

Solution

Заметим, что разность между любыми двумя числами вида a+ia+i (i=1,,ni = 1, \ldots, n) не превосходит n1n-1.
Пусть кратное числу n2+in^2 + i, содержащееся среди наших чисел — это ai(n2+i)a_i(n^2 + i). Ясно, что a1>1a_1 > 1. Тогда найдется такое 1in11 \le i \le n-1, что ai>ai+1a_i > a_{i+1} (в противном случае a1a2ana_1 \le a_2 \le \dots \le a_n, и an(n2+n)a1(n2+1)a1(n1)>n1a_n(n^2 + n) - a_1(n^2 + 1) \ge a_1(n-1) > n-1, что невозможно). Тогда
n1ai(n2+i)ai+1(n2+i+1)ai(n2+i)(ai1)(n2+i+1)=n2+i+1ai,то есть ain2n+i+2>n2n. Теперь, так как одно изнаших чисел есть ai(n2+i)>(n2n)(n2+1)=n4n3+n2n,то aai(n2+i)n>n4n3+n22nn4n3, так как n2. n-1 \ge a_i(n^2+i) - a_{i+1}(n^2+i+1) \ge \\ \ge a_i(n^2+i) - (a_i-1)(n^2+i+1) = n^2+i+1 - a_i, \\ \text{то есть } a_i \ge n^2-n+i+2 > n^2-n. \text{ Теперь, так как одно из} \\ \text{наших чисел есть } a_i(n^2+i) > (n^2-n)(n^2+1) = n^4-n^3+n^2-n, \\ \text{то } a \ge a_i(n^2+i) - n > n^4-n^3+n^2-2n \ge n^4-n^3, \text{ так как } n \ge 2.

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.