Maths Olympiad Prep

Library / /39 of 44

Number theory Difficulty 6.8 National olympiad Prove it Russia

100 distinct positive integers are arranged in a circle. Vasya divided each number by its clockwise neighbor with remainder, and he obtained only two distinct remainders. Petya divided each number by its counter-clockwise neighbor with remainder. Prove that Petya obtained 100 distinct remainders.
(N. Agakhanov, S. Berlov)

Solution

Пронумеруем числа по часовой стрелке a1,a2,,a100a_1, a_2, \dots, a_{100} так, чтобы число a100a_{100} было наименьшим. Тогда остаток от деления a100a_{100} на a1a_1 будет равен a=a100a = a_{100} (ибо a1>a100a_1 > a_{100}), а остаток bb от деления a99a_{99} на a100a_{100} будет меньше, чем a100a_{100}. Значит, a>ba > b — единственные остатки, полученные Васей.

Предположим, что ai<ai+1a_i < a_{i+1} при некотором i<100i < 100. Тогда остаток от деления aia_i на ai+1a_{i+1} равен aia_i, что больше, чем aa (и тем более — чем bb). Это невозможно. Значит, a1>a2>>a100a_1 > a_2 > \dots > a_{100}.

Итак, Петя при делении ai+1a_{i+1} на aia_i (при любом i=1,2,,99i = 1, 2, \dots, 99) будет получать в остатке ai+1a_{i+1}, поскольку ai+1<aia_{i+1} < a_i. При делении же a1a_1 на a100a_{100} он получит остаток cc, меньший a100a_{100}. Значит, все его остатки c<a100<a99<<a2c < a_{100} < a_{99} < \dots < a_2 различны.

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.