Тема . ЮМШ (олимпиада Юношеской Математической Школы)

Теория чисел на ЮМШ

Вспоминай формулы по каждой теме

Решай новые задачи каждый день

Вдумчиво разбирай решения

ШКОЛКОВО.
Готовиться с нами - ЛЕГКО!

Подтемы раздела юмш (олимпиада юношеской математической школы)

Решаем задачу:

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 1#83387

Цель этого сюжета — доказательство следующего утверждения:

Пусть $p$ — нечётное простое чисто. Докажите, что существует ровно $(p− 3)∕2$ упорядоченных четвёрок $(a,b,c,d)$ натуральных чисел, для которых $ab+ cd =p$ и $max(c,d)<min(a,b)$ .

Если $r$ — остаток по модулю $p$ , то назовём четвёрку ( $a,b,c,d$ ), удовлетворяющую условиям выше, $r$ -четверкой, если $c ≡ra$ (mod $p$ ).

1. Докажите, что если $r$ -четвёрка существует, то $r∈{2,3,...,p− 2}$ .

2. Докажите, что для данного $r$ существует не более одной $r$ -четвёрки.

3. Докажите, что если $r$ -четверка существует, то $(p − r)$ -четвёрки не существует.

4. Докажите, что для всякого $r∈{2,3,...,p− 2}$ существует либо $r$ -четвёрка, либо $(p − r)$ -четвёрка.

Источники: ЮМШ - 2024, сюжет 1 (см. yumsh.ru)

Показать доказательство

1. Пусть существует $r$ -четверка $(a,b,c,d)$ при $r= 1$ . Тогда $p=ab+ cd≡$ $≡ ab+ rad= a(b+d)$ (mod $p$ ). Получаем, что $. a(b+ d)..p$ . Тогда либо $a$ , либо $b+ d$ делится на $p$ . Тогда либо $a ≥p$ , $b+ d≥ p$ . В первом случаем получаем, что $ab+ cd≥ p+cd> 1$ . Во втором же $ab+cd≥ 2b+d ≥p +1$ . Получаем, что $1$ -четверки не существует.

Пусть существует $r$ -четверка $(a,b,c,d)$ при $r= p− 1$ . Тогда $p= ab+cd≡$ $≡ab+ rad =a(b− d)$ (mod $p$ ). Получаем, что $. a(b− d)..p$ . Тогда либо $a$ , либо $b− d$ делится на $p$ . Тогда либо $a≥ p$ , $b+ d≥ p$ ( $b− d ⁄=0$ , поскольку $b> d$ ). В первом случаем получаем, что $ab+ cd≥p +cd> 1$ . Во втором же $ab+cd≥ b+ d> b− d ≥p$ . Получаем, что $(p− 1)$ -четверки тоже не существует.

2. Пусть $(a,b,c,d)$ , $(a′,b′,c′,d′)$ — две четверки, удовлетворяющие условиям с одним и тем же $r$ . Тогда $ac′ ≡ara′ ≡ ca′$ (mod $p$ ), аналогично $bd′ ≡− rdd′ ≡ b′d$ (mod $p$ ). Т.е. $ac′− a′c$ , $bd′− b′d$ кратны $p$ .

Предположим, что эти разности одновременно не равны нулю. Пусть не умаляя общности $ac′− a′c> 0$ , тогда $ac′ >p >ab$ , т.е. $c′ > b$ и тем более $c′ > d$ . Отсюда получаем, что $|bd′− b′d|< max(bd′,b′d) <max(c′d′,b′c′)= b′c′ < a′b′ < p$ откуда (т.к. $|b′d− b′d|$ кратно $p$ ) получаем $bd′− b′d= 0$ — противоречие.

Пусть теперь одна из исходных разностей равна нулю (не умаляя общности $bd′− b′d$ ). Отметим, что из равенств $ab+ cd =p =a′b′+ c′d′$ следует взаимная простота $b$ и $d$ , $b′$ и $d′$ . Поэтому из равенства $bd′ = b′d$ следует, что $b= b′$ и $d =d′$ , а из него — $(a− a′)b= (c′− c)d$ . В силу взаимной простоты $b$ и $d$ имеем $a− a′ =dx$ , $c′− c =bx$ . При $x> 0$ это противоречит условию $c′ < b′ = b$ , при $x< 0$ — условию $c< b$ . Значит $x =0$ , $a =a′$ , $c= c′$ — четверки полностью совпадают.

3. Пусть $(a,b,c,d)$ , $(a′,b′,c′,d′)$ — две четверки, удовлетворяющие условиям с $r$ и c $r′ = p− r$ соответственно. Тогда $ac′ ≡− ara′ ≡ −ca′$ (mod $p$ ), аналогично $bd′ ≡ −rdd′ ≡−b′d$ (mod $p$ ). Т.е. $ac′+a′c$ , $bd′+b′d$ кратны $p$ .

Пусть $c′ ≥ b$ , а значит $c′ > c,d$ , тогда, аналогично прошлому пункту, $bd′+b′d< c′d′+b′c′ < c′d′+b′a′ = p$ — противоречие с делимостью на $p$ . Значит $c′ < b$ и, аналогично $c< b′$ , $d′ < a$ , $d< a′$ . Тогда $a′c+ac′ <ab+ a′b′ < 2p$ , поэтому из делимости $ac′+a′c= p$ и аналогично $b′d+bd′ = p$ .

Предположим теперь, не умаляя общности, что $a$ — наибольшее из чисел. Вычитая из $ab+cd$ равное ему $ac′+ ca′$ , получаем $a(b− c′)=c(a′− d)$ , откуда из взаимной простоты $a$ и $c$ получаем, что $a′− d$ делится на $a$ — противоречие с тем, что $a< a′$ , $a′− d> 0$ .

4. Рассмотрим на плоскости множество всех векторов $(x,y)$ с целыми координатами $x,y$ такими, что $y ≡ rx$ (mod $p$ ) или $y ≡(p− r)x$ . Отметим, что это множество вместе с каждым вектором $(x,y)$ содержит также и $(±x,±y)$ . Рассмотрим в нашем множестве вектор с минимальной суммой координат. В силу замечания выше можно считать, что вектор $u:= (a,c)$ , где $a,c>0$ , $a ⁄=c$ (на осях координат и на биссектрисах углов между ними такой вектор лежать не может, поскольку $2≤ r≤p − 1$ ), если $c ≡(p− r)a$ (mod $p$ ), то переобозначим $r$ и $p− r$ . Предположим пока, что $a> c$ . Рассмотрим прямую $ℓ$ с уравнением $xc− ya= p$ . Будем искать точку $(d,−b)$ на этой прямой такую, что $d> 0,d <a,d< b,c <b$ — тогда четверка $(a,b,c,d)$ и будет искомой. Заметим, что если $(x,y)∈ℓ$ , то $(x− a,y − c)∈ℓ$ .

Прямая $ℓ$ где-то пересекает прямую $y+ x= 0$ . Пусть точка $(x0,y0)∈ ℓ$ с целыми $x0,y0$ лежит выше прямой $y+ x= 0$ , а точка $v0 :=(x0− a,y0− c)$ — (нестрого) ниже.

Во-первых, проверим, что $x0− a >0$ . В самом деле, в противном случае $x0 ≤ a$ . Из выбора вектора $u$ имеем $a+ c≤ |x0− a|+|y0− c|= a− x0 +|y0 +c|$ . Если $c≥y0$ , то $a− x0+ |y0− c|= a+ c− x0− y0 < a+ c$ — противоречие. Если же $y0 >c$ , то $p =x0c− y0a <ac− ac= 0$ — снова противоречие.

Итак, $x0− a> 0$ . Поскольку $(x0− a)+ (y0− c)≤ 0$ , имеем $y0 − c< 0$ . Если $y0 ≥ 0$ , то $0< x0− a ≤c− y0 ≤ c$ и обе координаты вектора $v0$ по модулю не больше, чем $c$ — это опять противоречит выбору $u$ . Значит, $y0 < 0$ и $c− y0 > c$ . Теперь выберем наибольшее целое неотрицательное $m$ , при котором $x0− a− ma≥ 0$ . Ясно, что это неотрицательное значение строго меньше, чем $a$ . Тогда вектор $v0− mu =(x0− a− ma, y0− c− mc)$ и есть искомый вектор. Действительно, все нужные неравенства уже установлены, осталось только исключить случай $x0 − a− ma =0$ , но в таком случае из уравнения прямой $ℓ$ получаем $xc− ya= p$ , $− (y0− c− mc)a =p$ , что невозможно в силу того, что $a> c> 0$ , $− y0+c +mc ≥1 +c+ mc≥ 2$ .

Наконец обратимся к случаю $c> a$ . В этом случае обозначим $a′ =c$ , $c′ = a$ и построим точно так же четверку $(a′,b′,c′,d′)$ со всеми нужными свойствами, но такую, что, наоборот $a′ ≡rc′$ (mod $p$ ). В этом случае, очевидно, $(b′,a′,d′,c′)$ будет $p − r$ -четверкой, что нам подходит.

Нужна консультация? Задайте нам вопрос в чате.

Специальные программы

Все специальные программы

Программа
лояльности v2.0

Приглашай друзей в Школково и получай вознаграждение до 10%!

Крути рулетку
и выигрывай призы!

Крути рулетку и покупай курсы со скидкой, которая привязывается к вашему аккаунту.

Бесплатное онлайн-обучение

Для школьников из приграничных территорий России, проживающих в ДНР, ЛНР, Херсонской, Запорожской, Белгородской, Курской, Брянской областях и Крыму.

Налоговые вычеты

Узнай, как получить налоговый вычет при оплате обучения в «Школково».

Специальное предложение
для учителей

Бесплатный доступ к любому курсу подготовки к ЕГЭ, ОГЭ и олимпиадам от «Школково». Мы с вами делаем общее и важное дело, а потому для нас очень значимо быть чем-то полезными для учителей по всей России!

Вернём деньги за курс
за твою сотку на ЕГЭ

Сдать экзамен на сотку и получить обратно деньги за подготовку теперь вполне реально!

Программа
лояльности v2.0

Приглашай друзей в Школково и получай вознаграждение до 10%!

Крути рулетку
и выигрывай призы!

Крути рулетку и покупай курсы со скидкой, которая привязывается к вашему аккаунту.

Бесплатное онлайн-обучение

Налоговые вычеты

Узнай, как получить налоговый вычет при оплате обучения в «Школково».

Специальное предложение
для учителей

Вернём деньги за курс
за твою сотку на ЕГЭ

Сдать экзамен на сотку и получить обратно деньги за подготовку теперь вполне реально!

Теория чисел на ЮМШ

Специальные программы

Программалояльности v2.0

Крути рулеткуи выигрывай призы!

Бесплатное онлайн-обучение

Налоговые вычеты

Специальное предложениедля учителей

Вернём деньги за курсза твою сотку на ЕГЭ

Программалояльности v2.0

Крути рулеткуи выигрывай призы!

Бесплатное онлайн-обучение

Налоговые вычеты

Специальное предложениедля учителей

Вернём деньги за курсза твою сотку на ЕГЭ

Программа
лояльности v2.0

Крути рулетку
и выигрывай призы!

Специальное предложение
для учителей

Вернём деньги за курс
за твою сотку на ЕГЭ

Программа
лояльности v2.0

Крути рулетку
и выигрывай призы!

Специальное предложение
для учителей

Вернём деньги за курс
за твою сотку на ЕГЭ