Maths Olympiad Prep

Library / /73 of 152

Algebra Difficulty 6.3 National Olympiad Prove it Russia

Assume that nn is a positive integer, and a polynomial
P(x)=a2nx2n+a2n1x2n1++a1x+a0, P(x) = a_{2n}x^{2n} + a_{2n-1}x^{2n-1} + \dots + a_1x + a_0,
satisfies the conditions 100ai101100 \le a_i \le 101 for all 0i2n0 \le i \le 2n. Find the least possible nn such that this polynomial may have a real root.

Solution

Ответ. n=100n = 100.

Назовём многочлен, удовлетворяющий условию задачи, красивым. Многочлен P(x)=100(x200+x198++x2+1)+101(x199+x197++x)P(x) = 100(x^{200} + x^{198} + \dots + x^2 + 1) + 101(x^{199} + x^{197} + \dots + x) красив и имеет корень 1-1. Значит, при n=100n = 100 требуемое возможно.

Осталось показать, что при n<100n < 100 у красивого многочлена P(x)P(x) не может быть вещественных корней. Для этого достаточно проверить, что P(x)>0P(x) > 0 при всех xx. Это неравенство, очевидно, выполнено при x0x \ge 0; для отрицательных же x=tx = -t оно является следствием неравенства
100(t2n+t2n2++t2+1)>101(t2n1+t2n3++t).() 100(t^{2n} + t^{2n-2} + \dots + t^2 + 1) > 101(t^{2n-1} + t^{2n-3} + \dots + t). \quad (*)

Значит, достаточно доказать это неравенство при всех t>0t > 0. Умножая ()(*) на t+1t+1, получаем равносильное неравенство 100(t2n+1+t2n++1)>101(t2n+t2n1++t)100(t^{2n+1} + t^{2n} + \dots + 1) > 101(t^{2n} + t^{2n-1} + \dots + t), или
100(t2n+1+1)>t2n+t2n1++t.() 100(t^{2n+1} + 1) > t^{2n} + t^{2n-1} + \dots + t. \quad (**)

Заметим, что при каждом k=1,,nk = 1, \dots, n выполнено неравенство (tk1)(t2n+1k1)0(t^k - 1)(t^{2n+1-k} - 1) \ge 0, поскольку обе скобки имеют одинаковые знаки при t>0t > 0. Раскрывая скобки, получаем
t2n+1+1t2n+1k+tk. t^{2n+1} + 1 \ge t^{2n+1-k} + t^k.

Складывая все такие неравенства и учитывая, что n<100n < 100, получаем
t2n+t2n1++tn(t2n+1+1)<100(t2n+1+1), t^{2n} + t^{2n-1} + \dots + t \le n(t^{2n+1} + 1) < 100(t^{2n+1} + 1),
что и доказывает (**).

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 reproduced verbatim; metadata (topic, difficulty) added by this project.