Maths Olympiad Prep

Library / /19 of 46

Algebra Difficulty 5.8 AIME, harder Prove it Russia

Positive numbers x1,x2,,x2009x_1, x_2, \dots, x_{2009} satisfy the relations x12x1x2+x22=x22x2x3+x32=x32x3x4+x42==x20082x2008x2009+x20092=x20092x2009x1+x12x_1^2 - x_1x_2 + x_2^2 = x_2^2 - x_2x_3 + x_3^2 = x_3^2 - x_3x_4 + x_4^2 = \dots = x_{2008}^2 - x_{2008}x_{2009} + x_{2009}^2 = x_{2009}^2 - x_{2009}x_1 + x_1^2. Prove that x1=x2==x2009x_1 = x_2 = \dots = x_{2009}.

Solution

Первое решение. Без ограничения общности можно считать, что x1x_1 — наибольшее (или одно из наибольших) среди данных чисел. Тогда из равенства x12x1x2+x22=x22x2x3+x32x_1^2 - x_1x_2 + x_2^2 = x_2^2 - x_2x_3 + x_3^2 следует x12x32x1x2+x2x3=0(x1x3)(x1+x3)x2(x1x3)=0(x1x3)(x1+x3x2)=0x_1^2 - x_3^2 - x_1x_2 + x_2x_3 = 0 \Leftrightarrow (x_1 - x_3)(x_1 + x_3) - x_2(x_1 - x_3) = 0 \Leftrightarrow (x_1 - x_3)(x_1 + x_3 - x_2) = 0. В силу выбора числа x1x_1 имеем x1x2x_1 \ge x_2; поэтому x1x20x_1 - x_2 \ge 0, значит, x1+x3x2>0x_1 + x_3 - x_2 > 0. Отсюда следует, что x1x3=0x_1 - x_3 = 0, то есть x3=x1x_3 = x_1, и x3x_3 — также одно из наибольших среди данных чисел.
Рассуждая далее таким же образом, получаем: x5=x3x_5 = x_3, x7=x5x_7 = x_5, \ldots x2009=x2007x_{2009} = x_{2007}, x2=x2009x_2 = x_{2009}, x4=x2x_4 = x_2, \ldots, x2008=x2006x_{2008} = x_{2006}. Таким образом, все данные 2009 чисел равны.

Второе решение. Запишем исходные равенства в виде:
x1(x1x2)=x3(x2x3) x_1(x_1 - x_2) = -x_3(x_2 - x_3)
x2(x2x3)=x4(x3x4) x_2(x_2 - x_3) = -x_4(x_3 - x_4)
x2009(x2009x1)=x2(x1x2). x_{2009}(x_{2009} - x_1) = -x_2(x_1 - x_2).
Предположим, что x1x2>0x_1 - x_2 > 0. Тогда, последовательно используя все равенства, получаем x2x3<0x_2 - x_3 < 0, x3x4>0x_3 - x_4 > 0, x4x5<0x_4 - x_5 < 0, x5x6>0x_5 - x_6 > 0, \ldots, x2009x1>0x_{2009} - x_1 > 0, x1x2<0x_1 - x_2 < 0, что противоречит предположению. Аналогично приводится к противоречию предположение о том, что x1x2<0x_1 - x_2 < 0.
Если же x1x2=0x_1 - x_2 = 0, то последовательно получаем x2x3=0x_2 - x_3 = 0, x3x4=0x_3 - x_4 = 0, \ldots, x2009x1=0x_{2009} - x_1 = 0, откуда x1=x2==x2009x_1 = x_2 = \dots = x_{2009}.

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.