Maths Olympiad Prep

Library / /46 of 57

Algebra Difficulty 7.2 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Consider nine quadratic polynomials x2+a1x+b1x^2 + a_1x + b_1, x2+a2x+b2x^2 + a_2x + b_2, ..., x2+a9x+b9x^2 + a_9x + b_9 such that the sequences a1,a2,...,a9a_1, a_2, ..., a_9 and b1,b2,...,b9b_1, b_2, ..., b_9 are both arithmetical progressions, and the sum of all nine polynomials is a polynomial having at least one real root. Denote by kk the number of original polynomials having no real roots. Find the maximal possible value of kk. (I. Bogdanov)

На доске написаны девять приведённых квадратных трёхчленов: x2+a1x+b1,x2+a2x+b2,,x2+a9x+b9x^2 + a_1x + b_1, x^2 + a_2x + b_2, \dots, x^2 + a_9x + b_9. Известно, что последовательности a1,a2,,a9a_1, a_2, \dots, a_9 и b1,b2,,b9b_1, b_2, \dots, b_9 — арифметические прогрессии. Оказалось, что сумма всех девяти трёхчленов имеет хотя бы один корень. Какое наибольшее количество исходных трёхчленов может не иметь корней? (И. Богданов)

Solution

Обозначим Pi(x)=x2+aix+biP_i(x) = x^2 + a_i x + b_i, P(x)=P1(x)++P9(x)P(x) = P_1(x) + \dots + P_9(x). Заметим, что Pi(x)+P10i(x)=2x2+(ai+a10i)x+(bi+b10i)=2P5(x)P_i(x) + P_{10-i}(x) = 2x^2 + (a_i + a_{10-i})x + (b_i + b_{10-i}) = 2P_5(x). Значит, P(x)=9P5(x)P(x) = 9P_5(x), и условие равносильно тому, что P5(x)P_5(x) имеет хотя бы один корень.

Обозначим через x0x_0 какой-нибудь из его корней. Тогда Pi(x0)+P10i(x0)=2P5(x0)=0P_i(x_0) + P_{10-i}(x_0) = 2P_5(x_0) = 0, то есть либо Pi(x0)0P_i(x_0) \le 0, либо P10i(x0)0P_{10-i}(x_0) \le 0. Поскольку старшие коэффициенты трёхчленов положительны, из этого следует, что в каждой из пар (P1,P9)(P_1, P_9), (P2,P8)(P_2, P_8), (P3,P7)(P_3, P_7), (P4,P6)(P_4, P_6) хотя бы один из трёхчленов имеет корень. Значит, есть не меньше пяти трёхчленов, имеющих хотя бы по одному корню. Поэтому есть не более четырёх трёхчленов без корней.

Осталось привести пример, когда ровно пять трёхчленов (и один из них — P5P_5) имеют хотя бы по одному корню. Годятся, например, трёхчлены x24,x23,x22,,x2+4x^2 - 4, x^2 - 3, x^2 - 2, \dots, x^2 + 4.

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.