q$ (unless $p=q+1$, i.e. $p=3, q=2$, but then $p+1 \\nmid q(q-1)$ ) and now from $q+1 \\mid p(p-1)$ we deduce that $q+1$ divides $p-1$.\n\nWrite $p+1=m q$ for some positive integer $m$. Then $q+1$ divides $p-1=m q-2= m(q+1)-m-2$, so $q+1$ divides $m+2$. On the other hand, $p+1 \\mid q(q-1)$ implies that $m$ divides $q-1$. If the ratio of the latter is greater than 1, then $m \\leq \\frac{q-1}{2}$, but $q+1$ dividing $m+2$ from above insists on $q \\leq m+1$, so $m \\leq \\frac{q-1}{2} \\leq \\frac{m}{2}$, contradiction. Hence $m=q-1$ and we have proven the following: if $n>1$ is composite and peculiar, then $n=pq$, where $p>q$ are primes and $p=q^{2}-q-1$.\n\nHence from now on we work with $n=ab$, with $a-(a+1)$. From these inequalities and equivalence (1), we obtain $2(c-d)+6 \\in\\{0, a+1,2(a+1)\\}$. It is immediate to verify that these three possible values correspond to the following three cases, respectively:\n(i) $d=c+3$ and $a=c^{2}+3c+1$;\n(ii) $d=2, c=\\frac{a-1}{2}, a=2c+1$; and\n(iii) $d=1, c=a-1$.\nSubstituting these values in $b=ac-1$, we obtain in case (i), $b=c^{3}+3c^{2}+c-1=(c+1)(c^{2}+2c-1)$, and in case (ii), $b=2c^{2}+c-1=(c+1)(2c-1)$. In both cases these decompositions contradict the primality of $b$, as $c \\geq 2$. Thus we are left only with case (iii), where $b=a^{2}-a+1$, as claimed.\n\nIn conclusion, a prime $p$ can only divide the peculiar numbers $p$, $p(p^{2}-p-1)$ (if $p^{2}-p-1$ is prime) and $pq$ where $p=q^{2}-q-1$ (if $q$ is prime). In particular, the greatest common divisor of more than three peculiar numbers must be $1$. (Note that three peculiar numbers may indeed have a common divisor, e.g. $5, 15=3 \\cdot 5$ and $95=5 \\cdot 19$ are all peculiar.)",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 30163,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nFor a sequence $a_{1} < a_{2} < \\cdots < a_{n}$ of integers, a pair $(a_{i}, a_{j})$ with $1 \\leq i < j \\leq n$ is called interesting if there exists a pair $(a_{k}, a_{l})$ of integers with $1 \\leq k < l \\leq n$ such that\n$$\n\\frac{a_{l} - a_{k}}{a_{j} - a_{i}} = 2\n$$\nFor each $n \\geq 3$, find the largest possible number of interesting pairs in a sequence of length $n$.",
"options": [],
"answer": "(n-1)(n-2)/2 + 1",
"solution": "Solution:\n\nAnswer. $\\frac{1}{2}(n-1)(n-2)+1$.\n\nConsider the numbers $a_{i} = 2^{i}$ for $2 \\leq i \\leq n$ and $a_{1} = 0$, and choose any pair $(i, j)$ with $1 \\leq i < j \\leq n$.\nIf $i = 1$, the pair $(1, j)$ is interesting for all $2 \\leq j \\leq n-1$, as $\\frac{a_{j+1} - a_{1}}{a_{j} - a_{1}} = \\frac{2^{j+1}}{2^{j}} = 2$.\nIf $i \\geq 2$, the pair $(i, j)$ is also interesting for all $j$ such that $i+1 \\leq j \\leq n-1$, since $\\frac{a_{j+1} - a_{i+1}}{a_{j} - a_{i}} = \\frac{2^{j+1} - 2^{i+1}}{2^{j} - 2^{i}} = 2$.\nIn addition, the pair $(n-1, n)$ is interesting, as $\\frac{a_{n} - a_{0}}{a_{n} - a_{n-1}} = 2$.\nHence, all pairs in which $j \\leq n-1$, and additionally the pair $(n-1, n)$, are interesting, giving $\\frac{1}{2}(n-1)(n-2)+1$ pairs in total.\n\nNow, let's show that there can't be more interesting pairs. To this end we show that at least $\\frac{1}{2} n(n-1) - \\left(\\frac{1}{2}(n-1)(n-2)+1\\right) = n-2$ pairs are not interesting. Clearly, the pair $(1, n)$ is not interesting.\nLet's make the following observation: if a pair $(i, j)$ is interesting and it's not $(1, n)$, then $a_{j} - a_{i}$ can't exceed $\\frac{1}{2}(a_{n} - a_{1})$. (Since, if $(i, j)$ is interesting then $a_{l} - a_{k} = 2(a_{j} - a_{i})$ for some pair $(k, l)$. If then $2(a_{j} - a_{i}) > a_{n} - a_{1}$ we would have $a_{l} - a_{k} > a_{n} - a_{1}$, which is not possible.)\nFinally, for any $2 \\leq i \\leq n-1$ consider pairs $(1, i)$ and $(i, n)$. If both of them are interesting, then, following the observation above, the only possibility is $a_{i} - a_{1} = a_{n} - a_{i} = \\frac{a_{n} - a_{1}}{2}$. Clearly, this is possible for at most one $i$, so for all other $n-3$ values of $i$, at least one of pairs $(1, i)$ and $(i, n)$ is not interesting. Combining with the pair $(1, n)$, we get at least $n-2$ not interesting pairs in total, as desired.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30164,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nLet $\\mathbb{N}$ denote the set of positive integers. Find all functions $f: \\mathbb{N} \\rightarrow \\mathbb{N}$ such that the following assertions are true for every pair of positive integers $(x, y)$:\n- $x$ and $f(x)$ have the same number of positive divisors.\n- If $x$ does not divide $y$ and $y$ does not divide $x$, then\n$$\n\\operatorname{gcd}(f(x), f(y)) > f(\\operatorname{gcd}(x, y))\n$$\nHere $\\operatorname{gcd}(m, n)$ is the largest positive integer that divides both $m$ and $n$.",
"options": [],
"answer": "All functions of the form f(n) = q^{d(n)-1} for an arbitrary fixed prime q.",
"solution": "Solution:\nLet $f$ be a function satisfying these properties. From the first one, it follows that $f(1)=1$ and for each prime number $p$, $f(p)=q_p$ for some prime number $q_p$. Assume $p \\neq 2$, the pair $(2, p)$ in property 2 gives\n$$\n\\operatorname{gcd}\\left(q_2, q_p\\right) = \\operatorname{gcd}(f(2), f(p)) > f(\\operatorname{gcd}(2, p)) = f(1) = 1\n$$\nso $q_p = q_2$ for all $p$. Set $q = q_2$.\nDenote by $d(n)$ the number of divisors of a positive integer $n$.\nWe will prove the following claim by induction on $k \\geq 0$, the number of distinct prime divisors of $n$: For a positive integer $n$, $f(n)$ is a power of $q$.\nThe claim, together with the first property, imply that $f(n) = q^{d(n)-1}$.\nFor $k=0$ the claim is already proved.\nFor $k=1$, we need to prove that $f\\left(p^m\\right)$ is a power of $q$ for all positive $m$. The case $m=1$ was already proved. Assume now the result being proved for all positive integers $\\leq m$. As $d\\left(p^t\\right) = t+1$, we then know $f\\left(p^t\\right) = q^t$ for all $t \\leq m$. Now we consider $t = m+1$.\nLet $r \\neq p$ be a prime. Plug the pair $\\left(p^{m-1} r, p^m\\right)$ into the second property:\n$$\n\\operatorname{gcd}\\left(f\\left(p^{m-1} r\\right), q^m\\right) = \\operatorname{gcd}\\left(f\\left(p^{m-1} r\\right), f\\left(p^m\\right)\\right) > f\\left(p^{m-1}\\right) = q^{m-1}\n$$\nThis implies $q^m$ divides $f\\left(p^{m-1} r\\right)$. Since $f\\left(p^{m-1} r\\right)$ has $2m$ divisors, and $v_q\\left(f\\left(p^{m-1} r\\right)\\right) \\geq m$, it follows that $f\\left(p^{m-1} r\\right)$ does not have prime divisors other than $q$, since it would then have at least $2 \\cdot \\left(v_q\\left(f\\left(p^{m-1} r\\right)\\right)+1\\right) > 2m$ divisors. Thus, $f\\left(p^{m-1} r\\right)$ is a power of $q$. And since it has $2m$ divisors, we must have $f\\left(p^{m-1} r\\right) = q^{2m-1}$.\nNow, plug the pair $\\left(p^{m+1}, p^{m-1} r\\right)$ into the second property. We have\n$$\n\\operatorname{gcd}\\left(f\\left(p^{m+1}\\right), q^{2m-1}\\right) = \\operatorname{gcd}\\left(f\\left(p^{m+1}\\right), f\\left(p^{m-1} r\\right)\\right) > f\\left(p^{m-1}\\right) = q^{m-1}.\n$$\nThen $f\\left(p^{m+1}\\right)$ is divisible by $q^m$. If $f\\left(p^{m+1}\\right)$ had a prime factor other than $q$, it would have at least $2(m+1)$ divisors, but it has $m+2$ divisors and $2(m+1) > m+2$ since $m \\geq 1$. Hence, $f\\left(p^{m+1}\\right)$ must also be a power of $q$. By induction, the proof is finished for $k=1$.\nSuppose the claim is true for all integers $n$ with at most $k$ distinct prime factors, for some $k \\geq 1$. In order to prove the claim for integers with $k+1$ distinct prime factors, it suffices\nto show that for every positive integer $N$ with $k$ distinct prime factors, every positive integer $m$ and every prime $p$ which does not divide $N$, the number $f\\left(N p^m\\right)$ is a power of $q$. We will prove this by induction on $m$. The case $m=0$ follows from the previous induction hypothesis. Now suppose it has already been proved for a certain $m \\geq 0$.\nLet $s$ be a prime divisor of $N$. Consider the numbers $\\left(N p^{m+1}, N s p^m\\right)$. By the second property,\n$$\n\\operatorname{gcd}\\left(f\\left(N p^{m+1}\\right), q^{d\\left(N s p^m\\right)-1}\\right) = \\operatorname{gcd}\\left(f\\left(N p^{m+1}\\right), f\\left(N s p^m\\right)\\right) > f\\left(N p^m\\right) = q^{d\\left(N p^m\\right)-1}\n$$\nThen $q^{d\\left(N p^m\\right)}$ divides $f\\left(N p^{m+1}\\right)$. If $f\\left(N p^{m+1}\\right)$ has a prime factor other than $q$, it would have at least $2\\left(d\\left(N p^m\\right)+1\\right) = 2((m+1)d(N)+1) = (2m+2)d(N)+2$ divisors, but it has only $(m+2)d(N)$ divisors. Hence, $f\\left(N p^{m+1}\\right)$ must also be a power of $q$.\nFinally, let us check that the function $f(n) = q^{d(n)-1}$ does satisfy the properties of the problem for any prime number $q$. The first property obviously holds. To check the second one, note that\n$$\n\\operatorname{gcd}(f(x), f(y)) = q^{\\min (d(x), d(y))} > q^{d(\\operatorname{gcd}(x, y))} = f(\\operatorname{gcd}(x, y))\n$$\nwhenever $x \\nmid y$ and $y \\nmid x$.\nSolution:\nFirstly, one can prove that for any prime $p$ and any $m \\geq 0$, $f\\left(p^m\\right) = q^m$, in the same way as in the first solution.\nWe will prove the claim this time by induction on $k = d(n)$. We notice again that the claim implies that $f(n) = q^{d(n)-1}$.\nThe cases $k=1,2,3$ are then already proved. Now suppose that for some $k \\geq 3$ we have proved the claim for all positive integers $n$ with at most $k$ divisors.\nConsider a positive integer $n$ with $k+1$ divisors. If $n$ is a power of a prime, then it is already proved that $f(n)$ is a power of $q$. Suppose $n$ is not a power of a prime. Consider distinct prime numbers $p_1$ and $p_2$ which divide $n$, such that $v_{p_1}(n) \\leq v_{p_2}(n)$. Consider the number $\\frac{n p_2}{p_1}$: its number of divisors is $\\frac{v_{p_1}(n)(v_{p_2}(n)+2)}{(v_{p_1}(n)+1)(v_{p_2}(n)+1)} d(n)$, which is strictly less than the number of divisors of $n$. Thus, by induction hypothesis, $f\\left(\\frac{n p_2}{p_1}\\right)$ is a power of $q$.\nBy applying the second property to the pair $\\left(n, \\frac{n p_2}{p_1}\\right)$, we have\n$$\n\\operatorname{gcd}\\left(f(n), q^{d\\left(\\frac{n p_2}{p_1}\\right)-1}\\right) = \\operatorname{gcd}\\left(f(n), f\\left(\\frac{n p_2}{p_1}\\right)\\right) > f\\left(\\frac{n}{p_1}\\right) = q^{d\\left(\\frac{n}{p_1}\\right)-1}\n$$\nThis implies that $q^{d\\left(\\frac{n}{p_1}\\right)}$ divides $f(n)$. Again, if other primes than $q$ divided $f(n)$, it would have at least $2\\left(d\\left(\\frac{n}{p_1}\\right)+1\\right)$ divisors. But $2\\left(d\\left(\\frac{n}{p_1}\\right)+1\\right) = 2\\left(\\frac{v_{p_1}(n)}{v_{p_1}(n)+1} d(n)+1\\right) > d(n)$. So $f(n)$ is a power of $q$ and the Claim is proved.\nWe finally check as in the first solution that $f(n) = q^{d(n)-1}$ satisfies the 2 properties for all prime $q$.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 30165,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nFind all positive integers $d$ for which there exists a degree $d$ polynomial $P$ with real coefficients such that there are at most $d$ different values among $P(0), P(1), \\ldots, P\\left(d^{2}-d\\right)$.",
"options": [],
"answer": "{1, 2, 3}",
"solution": "Solution:\nWe claim that such polynomials exist if and only if $d \\leq 3$. The following examples show that such polynomials do exist for $d \\leq 3$:\n$$\n\\begin{array}{lll}\nd=1: & d^{2}-d=0, & P_{1}(x)=x, \\\\\n\\end{array} \\begin{array}{ll} \n& P(0)=0 ;\n\\end{array}\n$$\nWe can make more examples by adding constants.\n\nNow we will show that there are no examples of degree greater than 3.\nFrom now on we assume (without loss of generality) that the leading coefficient of our polynomial $P$ is positive and that all values $P(i)$ are positive (by adding a constant if necessary) for integers $i$ in the range $0 \\leq i \\leq d^{2}-d+1$.\n\nAssume (for contradiction) that $P$ is a polynomial of degree $d \\geq 4$ that satisfies the conditions of the problem and let $P(0), \\ldots, P\\left(d^{2}-d\\right)$ take values among $p_{1}<\\cdots 0$) : contradiction.\n\n$\\triangleright$ Si $n$ est impair, le pgcd de $(n+1)$ et $(n-1)$ est le pgcd de $(n+1)$ et $n+1-(n-1)=2$ donc $2$. Ainsi, ils sont égaux à $6$ et $2^{m-1}$, ou bien à $2$ et $3 \\cdot 2^{m-1}$.\n\n- Si $n-1=6$, alors $n=7$ et $2^{m-1}=n+1=8$ d'où $m=4$.\n- Si $n+1=6$, alors $n=5$ et $2^{m-1}=n-1=4$ d'où $m=3$.\n- Si $n-1=2$ alors $n=3$ et $3 \\cdot 2^{m}=n^{2}-1=8$, ce qui est impossible car $3$ ne divise pas $8$.\n- Si $n+1=2$ alors $n=1$ et $3 \\cdot 2^{m}=n^{2}-1=0$, ce qui est impossible.\n\nEn conclusion, l'équation n'est vérifiée que pour les couples $(m, n) \\in \\{(4,7), (3,5)\\}$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30224,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSept élèves d'une classe comparent leurs notes dans 12 épreuves, et remarquent qu'il n'existe pas deux élèves ayant des notes identiques dans chacune des 12 épreuves.\n\nMontrer que l'on peut choisir 6 épreuves telles que deux élèves quelconques aient des notes différentes à au moins l'une de ces épreuves.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $m$ le plus petit entier tel que l'on peut choisir $m$ épreuves $E_{1}, \\ldots, E_{m}$ de sorte que deux élèves quelconques aient des notes différentes à au moins l'une de ces $m$ épreuves. On doit montrer que $m \\leqslant 6$.\n\nComme $m$ est minimal, pour tout $i=1, \\ldots, m$ il existe une paire $A_{i}$ d'élèves ayant la même note à toutes les épreuves sauf $E_{i}$.\n\nOn forme un graphe dont les sommets sont les élèves, et dont les arêtes sont $A_{1}, \\ldots, A_{m}$. Supposons que le graphe possède un cycle $\\left(A_{i_{1}}, \\ldots, A_{i_{r}}\\right)$. Notons $a$ et $b$ les extrémités de $A_{i_{1}}$. Par hypothèse, $a$ et $b$ obtiennent des notes différentes à l'épreuve $i_{1}$. Cependant, le chemin $\\left(A_{i_{2}}, \\ldots, A_{i_{r}}\\right)$ montre que $a$ et $b$ obtiennent des notes identiques à l'épreuve $i_{1}$, ce qui est contradictoire.\n\nPar conséquent, le graphe est un arbre. Comme un arbre a strictement plus de sommets que d'arêtes, on en déduit que $m < 7$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30225,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nDans un cercle $\\mathcal{C}$ de centre $O$, on trace une corde $[CD]$. Soit $\\Gamma$ le cercle de diamètre $[CD]$ et $O'$ son centre. La médiatrice de $[CD]$ coupe le cercle $\\mathcal{C}$ en deux points $A$ et $B$ tels que $A$ est extérieur à $\\Gamma$. Notons $T$ et $T'$ les points de contact des tangentes à $\\Gamma$ passant par $A$. Soit $F$ le milieu de $[TT']$. Montrer que $O'$ est le milieu de $[BF]$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nComme les triangles $AFT$ et $ATO'$ sont semblables, on a $\\frac{AF}{AT} = \\frac{AT}{AO'}$. Or, $AT^2 = AO'^2 - O'T^2 = AO'^2 - O'C^2$ donc $AF = \\frac{AO'^2 - O'C^2}{AO'}$.\n\nComme les triangles $ACB$ et $AO'C$ sont semblables, on a $\\frac{AB}{AC} = \\frac{AC}{AO'}$. Or, $AC^2 = AO'^2 + O'C^2$ donc $AB = \\frac{AO'^2 + O'C^2}{AO'}$.\n\nEn additionnant les égalités précédemment trouvées, on obtient $\\frac{AF + AB}{2} = AO'$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30226,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nMontrer que si $a, b, c$ sont des nombres réels positifs vérifiant $a+b+c=1$ alors\n$$\n\\frac{7+2 b}{1+a}+\\frac{7+2 c}{1+b}+\\frac{7+2 a}{1+c} \\geqslant \\frac{69}{4}\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nComme $7+2 b=5+2(1+b)$, on écrit le membre de gauche sous la forme\n$$\n5\\left(\\frac{1}{1+a}+\\frac{1}{1+b}+\\frac{1}{1+c}\\right)+2\\left(\\frac{1+b}{1+a}+\\frac{1+c}{1+b}+\\frac{1+a}{1+c}\\right)\n$$\nEn utilisant l'inégalité $\\frac{1}{x}+\\frac{1}{y}+\\frac{1}{z} \\geqslant \\frac{9}{x+y+z}$, on minore le premier terme par $\\frac{45}{4}$.\nEn utilisant l'inégalité $x+y+z \\geqslant 3 \\sqrt[3]{x y z}$, on minore le second terme par $6$. L'assertion à démontrer en découle.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30227,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle avec $\\widehat{BAC}=60^{\\circ}$. Soient $D$ et $E$ les pieds des bissectrices issues respectivement des sommets $B$ et $C$. Soit $I$ le point d'intersection des droites $(BD)$ et $(CE)$. Montrer que les points $A$, $I$, $D$ et $E$ sont cocycliques.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nOn va faire une chasse aux angles pour démontrer que $\\widehat{IDA}+\\widehat{IEA}=180^{\\circ}$. Notons $x=\\widehat{ACE}=\\widehat{ECB}$ ainsi que $y=\\widehat{ABD}=\\widehat{DBC}$. Comme la somme des angles d'un triangle vaut $180^{\\circ}$ on a ainsi\n$$\n\\begin{aligned}\n180^{\\circ} & =\\widehat{BAC}+\\widehat{ABC}+\\widehat{ACB} \\\\\n& =60^{\\circ}+2y+2x\n\\end{aligned}\n$$\nCe qui implique que $x+y=60^{\\circ}$. On peut donc exprimer tous les angles de la figure en fonction de $x$ et en particulier les deux angles qui nous intéressent, $\\widehat{IDA}$ et $\\widehat{IEA}$. On a $\\widehat{IDA}=\\widehat{BDA}=180^{\\circ}-60^{\\circ}-y$ ainsi que $\\widehat{IEA}=\\widehat{CEA}=180^{\\circ}-60^{\\circ}-x$. Donc la somme vaut\n$$\n\\widehat{IDA}+\\widehat{IEA}=180^{\\circ}-60^{\\circ}-y+180^{\\circ}-60^{\\circ}-x=180^{\\circ}+60^{\\circ}-x-y=180^{\\circ}\n$$\nCe qui est l'égalité voulue.\nSolution:\n\n\n\nUne fois que l'on a obtenu que $x+y=60^{\\circ}$, on peut conclure d'une autre façon, en démontrant que $\\widehat{DAE}+\\widehat{DIE}=180^{\\circ}$. En effet, dans le triangle $BCI$, on a $\\widehat{BIC}=180^{\\circ}-x-y=120^{\\circ}$, de sorte que $\\widehat{DIE}+\\widehat{DAE}=\\widehat{BIC}+\\widehat{BAC}=120^{\\circ}+60^{\\circ}=180^{\\circ}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30228,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nSoit $x \\geqslant 0$ un réel. Montrer que :\n$$\n1 + x^{2} + x^{6} + x^{8} \\geqslant 4 x^{4}\n$$\net trouver les cas d'égalité.",
"options": [],
"answer": "x = 1",
"solution": "Solution:\nOn utilise l'inégalité arithmético-géométrique, dans le cas $n = 4$. On obtient\n$$\n1 + x^{2} + x^{6} + x^{8} \\geqslant 4 x^{\\frac{2+6+8}{4}} = 4 x^{4}.\n$$\nSupposons qu'on a égalité. D'après le cas d'égalité, $x^{2} = 1$, donc $x = 1$. Réciproquement, si $x = 1$, on a $1 + x^{2} + x^{6} + x^{8} = 4 = 4 x^{4}$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30229,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $\\omega_{1}$ et $\\omega_{2}$ deux cercles de centre $O_{1}$ et $O_{2}$, on suppose qu'ils se coupent en $A$ et $B$. Le cercle passant par les points $O_{1}$, $O_{2}$ et $B$ coupe le cercle $\\omega_{1}$ en $C$. Montrer que les points $C$, $A$ et $O_{2}$ sont alignés.\n\n",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nPour résoudre cet exercice, on va plutôt introduire dans un premier temps $C'$ la deuxième intersection de la droite $(A O_{2})$ avec le cercle $\\omega_{1}$ puis on va montrer que $C = C'$.\n\nOn peut décomposer l'angle plat $\\widehat{O_{2}AC'}$ en deux angles : $\\widehat{C' AO_{1}}$ et $\\widehat{O_{1} AO_{2}}$ dont la somme vaut donc $180$ degrés. D'une part, en faisant une symétrie axiale d'axe $(O_{1} O_{2})$, alors les points $A$ et $B$ sont échangés, mais alors l'angle $\\widehat{O_{1} AO_{2}}$ vaut l'angle $\\widehat{O_{1} BO_{2}}$. D'autre part, $O_{1}A = O_{1}C'$ comme $O_{1}$ est le centre du cercle $\\omega_{1}$, ainsi le triangle $O_{1} A C'$ est isocèle en $O_{1}$, et on trouve que $\\widehat{O_{2} C' O_{1}} = \\widehat{AC' O_{1}} = \\widehat{C' AO_{1}} = 180 - \\widehat{O_{1} AO_{2}} = 180 - \\widehat{O_{1} BO_{2}}$, donc en particulier, $\\widehat{O_{2} C' O_{1}} = 180 - \\widehat{O_{2} BO_{1}}$, ce qui démontre bien que les points $O_{1}$, $B$, $O_{2}$ et $C'$ sont cocycliques.\n\nAinsi, si on reprend la définition du point $C$, on obtient que $O_{1}$, $O_{2}$, $B$ et $C$ sont cocycliques et que $C'$ est sur $\\omega_{1}$, donc que $C' = C$, mais comme les points $A$, $O_{2}$ et $C' = C$ sont alignés on a entre autre que $A$, $O_{2}$ et $C$ sont alignés.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30230,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\n1. Soient $a$, $b$ et $c$ trois nombres réels tels que\n$$\n|a| \\geqslant |a+b|,\\ |b| \\geqslant |b+c| \\text{ et } |c| \\geqslant |c+a|.\n$$\nMontrer que $a = b = c = 0$.\n\n2. Soient $a$, $b$, $c$ et $d$ quatre nombres réels tels que\n$$\n|a| \\geqslant |a+b|,\\ |b| \\geqslant |b+c|,\\ |c| \\geqslant |c+d| \\text{ et } |d| \\geqslant |d+a|\n$$\nA-t-on forcément $a = b = c = d = 0$ ?",
"options": [],
"answer": "Part 1: a = b = c = 0. Part 2: No; for example, a = c = 1 and b = d = −1 satisfy the conditions.",
"solution": "Solution:\n\n1. Parmi les trois nombres, il y en a au moins deux de même signe. On peut supposer que ce sont $a$ et $b$ et qu'ils sont positifs, les autres cas se traitant de la même manière. On a alors\n$$\na = |a| \\geqslant |a+b| = a+b \\geqslant a\n$$\ndonc on a égalité partout, donc $b=0$. Comme $|b| \\geqslant |b+c|$, on a donc $0 \\geqslant |c|$, donc $c=0$. Finalement, comme $|c| \\geqslant |c+a|$, on a $0 \\geqslant |a|$ donc $a=0$ donc les trois nombres sont nuls.\n\n2. Non. Par exemple, on peut prendre $a = c = 1$ et $b = d = -1$. On a alors\n$$\na+b = b+c = c+d = d+a = 0\n$$\ndonc la condition est vérifiée, bien que les nombres choisis soient non nuls.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30231,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nOn pose 23 allumettes sur une table et 2 joueurs jouent à un jeu : chacun, à son tour, retire entre 1 et 4 allumettes (inclus). Celui qui prend la dernière gagne. Existe-t-il une stratégie gagnante pour l'un des deux?\n\nUne stratégie gagnante est une manière de jouer qui permet à l'un des deux de gagner peu importe comment son adversaire joue.",
"options": [],
"answer": "Yes — the first player. Take three first, then always take enough matches so that your move plus the opponent’s previous move totals five.",
"solution": "Solution:\n\nLe $1^{\text{er}}$ joueur possède une stratégie gagnante. La voici :\n\n1. $J_1$ prend 3 allumettes : il en reste un multiple de 5.\n\n2. $J_2$ en retire $r \\in \\{1,2,3,4\\}$.\n\n3. $J_1$ en enlève $5 - r$ : il en reste un multiple de 5.\n\nEt ainsi de suite. Donc à chaque fois que $J_2$ joue, il y a un nombre d'allumettes divisible par 5. À chaque fois que $J_1$ joue, en revanche, il y en a un nombre non-divisible par 5 et donc en particulier non nul ! Ce qui assure à $J_1$ de gagner.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30232,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABCD$ un trapèze tel que $(AB)$ et $(CD)$ sont parallèles. On suppose que $AD < CD$ et que $ABCD$ est inscrit dans un cercle $\\Gamma$. Soit $P$ sur $\\Gamma$ tel que $(DP)$ est parallèle à $(AC)$. La tangente à $\\Gamma$ en $D$ recoupe $(AB)$ en $E$, et les cordes $[BP]$ et $[CD]$ s'intersectent en $Q$. Montrer que $EQ = AC$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nOn sait que $(CQ)$ est parallèle à $(AE)$, donc l'énoncé revient à montrer que $ACQE$ est un parallélogramme, donc il suffit de montrer que $(EQ)$ et $(AC)$ sont parallèles. Le quadrilatère $BQDE$ est un trapèze, avec $(BE)$ et $(DQ)$ parallèles. On va d'abord montrer que c'est un trapèze isocèle. En effet, on a\n$$\n\\widehat{EDQ} = \\widehat{EDC} = 180^\\circ - \\widehat{DAC}\n$$\nd'après le cas limite du théorème de l'angle inscrit. D'autre part, on a\n$$\n\\widehat{DQB} = 180^\\circ - \\widehat{BDC} - \\widehat{DBP} = 180^\\circ - \\widehat{BAC} - \\widehat{DAP}\n$$\nOr, les quadrilatères $ABCD$ et $ACPD$ sont des trapèzes inscriptibles, donc isocèles, donc $PC = AD = BC$, donc $C$ est le milieu de l'arc entre $B$ et $P$. On a donc $\\widehat{BAC} = \\widehat{CAP}$, donc\n$$\n\\widehat{DQB} = 180^\\circ - \\widehat{CAP} - \\widehat{DAP} = 180^\\circ - \\widehat{DAC} = \\widehat{EDQ}\n$$\ndonc le trapèze $EBQD$ est bien isocèle, et a un axe de symétrie. On en déduit\n$$\n\\widehat{DQE} = \\widehat{QDB} = \\widehat{CDB} = \\widehat{DCA},\n$$\nen utilisant à la fin le fait que $ABCD$ a un axe de symétrie. Cela montre que $(QE)$ et $(AC)$ sont parallèles, ce qui conclut.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30233,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nLes diagonales du quadrilatère convexe $ABCD$ sont perpendiculaires et se rencontrent en $O$. La perpendiculaire à $(AB)$ passant par $O$ rencontre $(AB)$ en $M$ et $(CD)$ en $M'$. La perpendiculaire à $(BC)$ passant par $O$ rencontre $(BC)$ en $N$ et $(DA)$ en $N'$. La perpendiculaire à $(CD)$ passant par $O$ rencontre $(CD)$ en $P$ et $(AB)$ en $P'$. La perpendiculaire à $(DA)$ passant par $O$ rencontre $(DA)$ en $Q$ et $(BC)$ en $Q'$. \n\nProuver que les points $M, N, P, Q, M', N', P', Q'$ sont cocycliques.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nCommençons par prouver que le quadrilatère $MNPQ$ est inscriptible :\nOn note que le quadrilatère $BMON$ a deux angles droits en $M$ et en $N$, donc il est inscrit dans le cercle de diamètre $[OB]$. De même, les quadrilatères $CNOP$, $DPOQ$ et $AQOM$ sont inscrits respectivement dans les cercles de diamètres $[OC]$, $[OD]$ et $[OA]$. On en déduit que $\\widehat{OMN}=\\widehat{OBN}$, que $\\widehat{OMQ}=\\widehat{OAQ}$, que $\\widehat{OPQ}=\\widehat{ODQ}$ et que $\\widehat{OPN}=\\widehat{OCN}$.\n\n$$\n\\begin{aligned}\n& \\text{Il vient alors} \\\\\n& \\begin{aligned}\n\\widehat{QMN} & = \\widehat{QMO} + \\widehat{OMN} \\\\\n& = \\widehat{QAO} + \\widehat{OBN} \\\\\n& = \\widehat{DAC} + \\widehat{DBC}\n\\end{aligned}\n\\end{aligned}\n$$\n\nEt d'autre part\n\n$$\n\\begin{aligned}\n\\widehat{QPN} & = \\widehat{QPO} + \\widehat{OPN} \\\\\n& = \\widehat{QDO} + \\widehat{OCN} \\\\\n& = \\widehat{ADB} + \\widehat{ACB}\n\\end{aligned}\n$$\n\nOr, puisque $[AC]$ et $[DB]$ sont perpendiculaires, on a $\\widehat{DAC} + \\widehat{ADB} = 90^{\\circ}$, et de même $\\widehat{DBC} + \\widehat{ACB} = 90^{\\circ}$. Ainsi $\\widehat{QMN} = 180^{\\circ} - \\widehat{QPN}$. Cela assure que $MNPQ$ est inscriptible.\n\nOn note $\\Gamma$ le cercle circonscrit à $MNPQ$. Par symétrie des rôles, pour conclure, il suffit de prouver que $Q'$ est sur $\\Gamma$.\n\nSupposons que $N \\in [CQ']$, les autres cas se traitant de façons similaires.\nNous avons $\\widehat{NQ'Q} = \\widehat{NQ'O} = 180^{\\circ} - \\widehat{Q'CO} - \\widehat{COQ'}$.\nMais $\\widehat{Q'CO} = \\widehat{NCO} = \\widehat{NPO}$, puisque $NCPO$ inscriptible.\nD'autre part, comme les côtés sont perpendiculaires deux à deux, on a $\\widehat{COQ'} = \\widehat{ODQ} = \\widehat{OPQ}$, la dernière égalité découlant du fait que $OPDQ$ est inscriptible.\nAinsi, on a $\\widehat{NQ'Q} = 180^{\\circ} - \\widehat{NPO} - \\widehat{OPQ} = 180^{\\circ} - \\widehat{NPQ}$, ce qui assure que $Q'$ appartient bien au cercle circonscrit à $NPQ$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30234,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nJules et Jim, deux colocataires, reçoivent 10 autres paires de colocataires chez eux. Jules fait un petit sondage au cours de la soirée et interroge les 21 autres personnes. Parmi elles, aucune n'a serré la main de son colocataire, et il n'y en a pas deux qui ont serré le même nombre de mains. Combien de mains a serré Jim?",
"options": [],
"answer": "10",
"solution": "Solution:\n\nAu cours de la soirée, parmi les 21, chaque personne serre entre 0 et 20 mains. Comme elles serrent toutes un nombre différent de mains, pour tout $n$ compris entre $0$ et $20$ il existe une et une seule personne $A_{n}$ parmi les 21 qui a serré exactement $n$ mains.\n\nComme $A_{20}$ a serré 20 mains, $A_{20}$ a serré la main à tout le monde sauf lui-même et son colocataire. Or, $A_{0}$ n'a serré la main à personne, donc $A_{0}$ est le colocataire de $A_{20}$.\n\nComme $A_{19}$ a serré 19 mains, $A_{19}$ a serré la main à tout le monde sauf lui-même, son colocataire et $A_{0}$. Or, $A_{1}$ a serré la main à $A_{20}$ et à personne d'autre, donc n'a pas serré la main à $A_{19}$. On en déduit que $A_{1}$ est le colocataire de $A_{19}$.\n\nEn continuant le raisonnement, on montre que $A_{n}$ est le colocataire de $A_{20-n}$ pour tout $n = 0, 1, \\ldots, 9$, donc $A_{10}$ est le colocataire de Jules. Finalement, Jules a serré 10 mains.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30235,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle, et $M$ le milieu de $[BC]$. On note $I_{b}$ et $I_{c}$ les centres des cercles inscrits à $AMB$ et $AMC$. Montrer que le second point d'intersection des cercles circonscrits aux triangles $ABI_{b}$ et $ACI_{c}$ se situe sur la droite $(AM)$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $T$ l'intersection entre le cercle de diamètre $[BC]$ et la demi-droite $[MA)$. Il suffit de montrer que $T$ appartient au cercle $ABI_{b}$ (par symétrie des rôles de $B$ et $C$, ceci montrera qu'il appartient également au cercle $ACI_{c}$).\n\nComme $\\widehat{BTC}$ est droit, on a $\\widehat{ATB} = 90^{\\circ} + \\frac{1}{2} \\widehat{AMB} = \\widehat{AI_{b}B}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30236,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nSoit $x$ un réel strictement positif tel que $x^{5}-x^{3}+x \\geq 3$. Prouver que $x^{6} \\geq 5$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\nLa clé du problème est la factorisation $x^{6}+1=\\left(x^{2}+1\\right)\\left(x^{4}-x^{2}+1\\right)$, valable pour tout réel $x$.\nSoit $x>0$ tel que $x^{5}-x^{3}+x \\geq 3$. D'après l'identité ci-dessus, on a alors\n$$\nx^{6}+1=\\left(x^{2}+1\\right)\\left(x^{4}-x^{2}+1\\right)=\\frac{x^{2}+1}{x}\\left(x^{5}-x^{3}+x\\right)=\\left(x+\\frac{1}{x}\\right)\\left(x^{5}-x^{3}+x\\right)\n$$\net donc $x^{6}+1 \\geq 3\\left(x+\\frac{1}{x}\\right)$.\nOr, d'après l'inégalité arithmético-géométrique (IAG), on a $x+\\frac{1}{x} \\geq 2$, d'où $x^{6}+1 \\geq 6$, et ainsi $x^{6} \\geq 5$, comme souhaité.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30237,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $a, b, c$ des nombres réels. Montrer que:\n$$\n2 a^{2}+20 b^{2}+5 c^{2}+8 a b-4 b c-4 a c \\geqslant 0\n$$\net trouver les cas d'égalité.",
"options": [],
"answer": "Equality holds only for a = b = c = 0.",
"solution": "Solution:\n\nL'inégalité est équivalente à $4 b c+4 a c-8 a b \\leqslant 2 a^{2}+20 b^{2}+5 c^{2}$. Or on sait que $4 a c=2 \\times a \\times(2 c) \\leqslant a^{2}+(2 c)^{2}=a^{2}+4 c^{2}$ et que $4 b c=2 \\times c(2 b) \\leqslant 4 b^{2}+c^{2}$. On a également $-8 a b=2 \\times(-a) \\times(4 b) \\leqslant a^{2}+16 b^{2}$. En sommant toutes ces inégalités, on obtient $4 b c+4 a c-8 a b \\leqslant 2 a^{2}+20 b^{2}+5 c^{2}$.\n\nSupposons qu'on a égalité, dans ce cas on a égalité dans les trois inégalités utilisées : on a donc $a=2 c$, $c=2 b$ donc $a=4 b$ et $-a=4 b$. En particulier $-a=a$ donc $a=0$ donc $b$ et $c$ sont également nuls. Réciproquement, si $a=b=c=0$, on a bien égalité.\n\nOn aurait pu également remarquer que\n$$\n2 a^{2}+20 b^{2}+5 c^{2}+8 a b-4 b c-4 a c=(a+4 b)^{2}+(a-2 c)^{2}+(2 b-c)^{2} \\geqslant 0\n$$\net trouver de la même façon le cas d'égalité.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30238,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver le plus petit entier positif qui ne s'écrit pas sous la forme $\\frac{2^{a}-2^{b}}{2^{c}-2^{d}}$ pour $a, b, c, d \\in \\mathbb{N}$.",
"options": [],
"answer": "11",
"solution": "Solution:\n\nSoit $E$ l'ensemble des entiers strictement positifs s'écrivant sous cette forme. Commençons par remarquer que\n$$\n\\frac{2^{a}-2^{b}}{2^{c}-2^{d}}=2^{b-d} \\frac{2^{a-b}-1}{2^{c-d}-1}\n$$\nAinsi, si $x>0$ s'écrit $x=\\frac{2^{a}-2^{b}}{2^{c}-2^{d}}$, alors $b-d=v_{2}(x)$ et si on appelle $y$ l'entier impair tel que $x=2^{v_{2}(x)} y$, alors $y$ s'écrit sous la forme $\\frac{2^{n}-1}{2^{m}-1}$. En particulier, l'entier que nous cherchons est nécessairement impair. D'autre part, on peut tout de suite exclure les entiers de la forme $2^{n}-1$, atteints avec $m=1$.\n\nIl est classique que si $2^{m}-1$ divise $2^{n}-1$, alors $m$ divise $n$. Ainsi, en écrivant $n=m d$, $y$ est de la forme\n$$\ny=\\frac{2^{m d}-1}{2^{m}-1}=2^{(d-1) m}+2^{(d-2) m}+\\ldots+2^{m}+1\n$$\nAutrement dit, en notant $u=\\underbrace{0 \\ldots 0}_{m-1 \\text{ zéros }} 1$, l'écriture en base 2 de $y$ est de la forme $\\overline{1 u \\ldots u}^{2}$, avec $u$ apparaissant $d-1$ fois. Les entiers impairs appartenant à $E$ sont exactement ceux ayant une telle écriture binaire pour $m$ et $d$ bien choisis. Les écritures binaires des premiers entiers impairs qui ne sont pas de la forme $2^{n}-1$ sont\n$$\n5=\\overline{101}^{2},\\ 9=\\overline{1001}^{2},\\ 11=\\overline{1011}^{2}\n$$\nD'après le critère ci-dessus, le plus petit entier cherché est $11$.\n\nRemarque : cet exercice peut aussi se faire en trouvant des manières d'écrire les entiers $1$ à $10$ sous cette forme, puis en montrant que $11$ ne s'écrit pas sous cette forme : en effet, vu que $11$ est impair, on peut supposer $b=d=1$. Ensuite\n$$\n\\left(2^{a}-1\\right)=11\\left(2^{c}-1\\right)\n$$\nse réécrit\n$$\n10=2^{c} \\times 11-2^{a}\n$$\nPuisque $10=2 \\times 5$, nous avons $a=1$ ou $c=1$. Si $a=1$, on trouve $2^{c} \\times 11=12$, qui n'a pas de solution, et si $c=1$, on trouve $2^{a}=12$, qui n'a pas de solution non plus. Donc $11$ est l'entier cherché.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30239,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle dont $O$ est le centre du cercle circonscrit. On note $\\ell$ une droite perpendiculaire à la droite $(AO)$. La droite $(\\ell)$ intersecte les côtés $(AB)$ et $(AC)$ en les points $D$ et $E$. Montrer que les points $B$, $C$, $E$ et $D$ sont cocycliques.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nPosons $X$ et $Y$ les projetés orthogonaux de $O$ sur $(AC)$ et $(DE)$ respectivement. Notons que $X$ est le milieu du segment $[AC]$ et aussi le pied de la bissectrice de l'angle $\\widehat{COA}$ dans le triangle $AOC$ isocèle en $O$.\n\nComme $\\widehat{EXO} = 90^{\\circ} = \\widehat{EYO}$, on en déduit que $E$, $X$, $O$ et $Y$ sont cocycliques par le théorème de l'angle inscrit. Par le théorème de l'angle au centre, on a alors :\n$$\n\\widehat{CBA} = \\widehat{COA} / 2 = \\widehat{XOA} = 180^{\\circ} - \\widehat{YEX} = 180^{\\circ} - \\widehat{CED}\n$$\nOn en déduit la cocyclicité des points $B$, $C$, $D$ et $E$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30240,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $p$ un nombre premier. Trouver tous les entiers $n \\geqslant 1$ tels que pour tout entier $a \\geqslant 1$, si $a^{n}-1$ est divisible par $p$, alors $a^{n}-1$ est aussi divisible par $p^{2}$.",
"options": [],
"answer": "All positive integers n that are multiples of p",
"solution": "Solution:\n\nMontrons que les entiers $n$ qui conviennent sont exactement les multiples de $p$. Pour cela, nous allons d'abord prouver que lorsque $n=p m$ pour un entier $m \\geqslant 1$, pour tout entier $a \\geqslant 1$, si $a^{n}-1$ est divisible par $p$, alors $a^{n}-1$ est aussi divisible par $p^{2}$. Puis, réciproquement, nous allons prouver que si $p$ ne divise pas $n$, alors il existe un entier $a \\geqslant 1$ tel que $a^{n}-1$ est divisible par $p$ mais tel que $a^{n}-1$ n'est pas divisible par $p^{2}$.\n\n$\\triangleright$ Si $n=p m$ pour un entier $m \\geqslant 1$, alors $a^{n}=a^{p m} \\equiv a^{m} \\pmod{p}$ d'après le petit théorème de Fermat pour tout entier $a$. Supposons dorénavant que l'entier $a$ est tel que $a^{n}-1$ est divisible par $p$. D'après la ligne ci-dessus, $a^{m}-1$ est divisible par $p$. Par ailleurs, la factorisation suivante est vérifiée:\n$$\na^{n}-1=a^{p m}-1=\\left(a^{m}-1\\right)\\left(1+a^{m}+\\cdots+a^{(p-1) m}\\right)\n$$\nComme $p$ divise $a^{m}-1$, $a^{m} \\equiv 1 \\pmod{p}$ donc\n$$\n1+a^{m}+\\cdots+a^{(p-1) m} \\equiv 1+1+\\cdots+1 \\equiv p \\equiv 0 \\pmod{p}\n$$\nEn conclusion, $a^{n}-1$ est le produit de deux entiers divisibles par $p$ donc est divisible par $p^{2}$.\n\n$\\triangleright$ Si $p$ ne divise pas $n$, alors avec l'entier $a=p+1$, on a que $a^{n}-1 \\equiv 1^{n}-1 \\equiv 0 \\pmod{p}$ donc $p$ divise $a^{n}-1$. Or\n$$\n1+a+\\cdots+a^{(n-1)} \\equiv 1+1+\\cdots+1^{n-1} \\equiv n \\not \\equiv 0 \\pmod{p}\n$$\nAinsi, $p$ ne divise pas $1+a+\\cdots+a^{(n-1)}$, et donc $p^{2}$ ne divise pas $p\\left(1+a+\\cdots+a^{(n-1)}\\right)=(a-1)\\left(1+a+\\cdots+a^{(n-1)}\\right)=a^{n}-1$.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 30241,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle isocèle en $A$. Soient $M$ et $N$ deux points de $[BC]$. Les droites $[AM]$ et $[AN]$ recoupent le cercle circonscrit à $ABC$ en $P$ et $Q$.\n\n1) Montrer que $M, N, P, Q$ sont cocycliques.\n\n2) Soient $R_{1}$ et $R_{2}$ les rayons des cercles circonscrits à $BMP$ et $CMP$. Calculer $R_{1}+R_{2}$ en fonction des longueurs $AB$ et $BC$.",
"options": [],
"answer": "R1 + R2 = (AB × BC) / (2 √(AB^2 − (BC/2)^2))",
"solution": "Solution:\n\n\n\n1) $\\widehat{PMN}=\\widehat{PMC}=\\pi-\\widehat{MCP}-\\widehat{CPM}=\\pi-\\widehat{BCP}-\\widehat{CPA}=\\pi-\\widehat{BCP}-\\widehat{CBA}$, et $\\widehat{NQP}=\\widehat{AQP}=\\widehat{ACP}=\\widehat{ACB}+\\widehat{BCP}=\\widehat{CBA}+\\widehat{BCP}$,\ndonc $\\widehat{PMN}=\\pi-\\widehat{NQP}$, ce qui prouve la cocyclicité de $M, N, P, Q$.\n\n2) D'après la loi des sinus, on a\n$$\n2\\left(R_{1}+R_{2}\\right)=\\frac{BM}{\\sin \\widehat{MPB}}+\\frac{CM}{\\sin \\widehat{CPM}}\n$$\nOr, $\\widehat{MPB}=\\widehat{APB}=\\widehat{ACB}$ et de même $\\widehat{CPM}=\\widehat{ACB}$, donc\n$$\n2\\left(R_{1}+R_{2}\\right)=\\frac{BM+CM}{\\sin \\widehat{ACB}}=\\frac{BC}{\\sin \\widehat{ACB}}.\n$$\nD'autre part, soit $H$ le projeté orthogonal de $A$ sur $BC$. On a $\\sin \\widehat{ACB}=\\frac{AH}{AB}=\\frac{\\sqrt{AB^{2}-(BC / 2)^{2}}}{AB}$, donc\n$$\nR_{1}+R_{2}=\\frac{AB \\times BC}{2 \\sqrt{AB^{2}-(BC / 2)^{2}}}\n$$",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30242,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nTrouver toutes les fonctions $f$ de $\\mathbb{R}$ dans $\\mathbb{R}$ telles que, pour tous réels $x$ et $y$, on ait\n$$\nf(x f(y))+x=f(x) f(y+1)\n$$",
"options": [],
"answer": "f(x)=x and f(x)=-x",
"solution": "Solution:\nEn prenant $x=0$, on obtient $f(0)=f(0) f(y+1)$ pour tout $y$, donc soit $f(0)=0$, soit $f(y+1)=1$ pour tout $y$. Dans le second cas, $f$ est constante égale à $1$, mais alors l'équation devient\n$$\n1+x=1 \\times 1\n$$\npour tout $x$, ce qui est impossible. On a donc $f(0)=0$.\n\nEn prenant $y=0$, on obtient alors $x=f(x) f(1)$ pour tout $x$. En particulier, en prenant $x=1$, on obtient $1=f(1)^2$ donc $f(1)$ vaut $1$ ou $-1$.\n\nSi $f(1)=1$, alors $x=f(x)$ donc $f$ est l'identité, qui est bien solution.\n\nSi $f(1)=-1$, on obtient $x=-f(x)$ pour tout $x$, donc $f(x)=-x$ pour tout $x$, et on vérifie que cette fonction aussi est bien solution du problème.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30243,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle et $H$ son orthocentre. Le cercle circonscrit de $ABH$, de centre $O$, recoupe la droite $(BC)$ en $D$, la droite $(DH)$ intersecte la droite $(AC)$ en $P$. Montrer que le centre du cercle circonscrit de $APD$ est sur le cercle circonscrit de $ODB$.\n\n",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nUne construction soigneuse nous permet de conjecturer que le centre du cercle $APD$ est également sur la droite $(AB)$, c'est donc tout naturellement que l'on introduit $O_1$, le point de la droite $(AB)$ qui est à égale distance de $A$ et de $D$, $c'$ est alors un bon candidat pour être le centre du cercle $APD$.\n\nÉtape 1. $O_1$ est le centre du cercle de $APD$.\n\nOn introduit $H_B$ le pied de la hauteur issue de $B$ dans le triangle $ABC$, on pose alors $x = \\widehat{H_BPH}$. Comme le triangle $HH_BP$ est droit en $H_B$, on a $\\widehat{H_BHP} = 90 - \\widehat{H_BPH} = 90 - x$. Mais d'autre part, $x = \\widehat{H_BBP} = \\widehat{DHB}$, ce dernier angle vaut l'angle $\\widehat{DAB} = x$ par cocyclicité des points $A, H, B$ et $D$.\n\nOn note $M$ le milieu du segment $[AD]$, alors $M$ et $O_1$ sont sur la médiatrice du segment $[AD]$, donc $(MO_1) \\perp (AD)$, et ainsi $\\widehat{MO_1A} = 90 - \\widehat{MAO_1}$.\n\nOr $O_1A = OD$, donc $\\widehat{AO_1D} = 2x = 2\\widehat{APD}$. On a maintenant d'une part que $\\widehat{AO_1D} = 2\\widehat{APD}$ mais d'autre part que $OA = O_1D$, on voudrait en déduire que $O_1$ est bien le centre du cercle circonscrit de $APD$. Mais par angle au centre c'est bien le cas.\n\nÉtape 2. $O_1$ est sur le cercle $ODB$.\n\nOn remarque que les points $O, M$ et $O_1$ sont sur la (même) médiatrice de $[AC]$, ils sont donc alignés. On trouve ainsi l'angle $\\widehat{OO_1D} = x$. Mais d'autre part, $\\widehat{DOB} = 2\\widehat{DAB} = 2(90 - x)$. Comme le triangle $ODB$ est isocèle en $O$, on peut calculer l'angle $\\widehat{OBD}$ qui vaut ainsi $x$. Mais alors, $\\widehat{OO_1D} = x = \\widehat{OBD}$, ce qui conclut l'étape 2.\n\nOn sait que $O_1$ est le centre du cercle $APD$ et sur le cercle $ODB$, donc le centre du cercle de $APD$ est bien sur le cercle $ODB$ ce qui conclut.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30244,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver tous les triplets d'entiers strictement positifs $(a, b, c)$ tels que $6^{a} = 1 + 2^{b} + 3^{c}$.",
"options": [],
"answer": "[(1,1,1), (2,3,3), (2,5,1)]",
"solution": "Solution:\n\nRemarquons tout d'abord que $3$ divise $2^{b} + 1$ donc $b$ est impair (car $2^{b} + 1 \\equiv (-1)^{b} + 1 \\pmod{3}$).\n\n$\\triangleright$ Si $b = 1$, l'équation se réécrit $1 + 3^{c-1} = 2 \\cdot 6^{a-1}$ en divisant par $3$.\n\n- Si $a > 1$, alors $3$ divise $1 + 3^{c-1}$ ce qui est impossible.\n- Sinon, $a = 1$ et par conséquent $c = 1$.\n\n$\\triangleright$ Si $b \\geqslant 3$, alors $a \\geqslant 2$ (car $6 < 1 + 2^{3}$). En réduisant modulo $4$, on obtient la condition nécessaire $1 + 3^{c} \\equiv 0 \\pmod{4}$, et donc $c$ est impair. En réduisant alors modulo $8$, on obtient la nouvelle condition $1 + 2^{b} + 3^{c} \\equiv 1 + 0 + 3 \\pmod{8} \\equiv 4 \\pmod{8}$ donc $6^{a} \\equiv 4 \\pmod{8}$ ce qui entraîne immédiatement $a = 2$ (en effet, $6^{a} \\equiv 0 \\pmod{8}$ pour $a \\geqslant 3$).\n\nL'équation initiale devient alors $2^{b} + 3^{c} = 35$ et une étude exhaustive donne $b = 3$ et $c = 3$ ou $b = 5$ et $c = 1$.\n\nEn conclusion, les triplets solutions sont $\\{(1,1,1), (2,3,3), (2,5,1)\\}$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30245,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver tous les triplets de nombres premiers $(p, q, r)$ tels que $(p+1)(q+2)(r+3)=4 p q r$.",
"options": [],
"answer": "(2,3,5), (7,5,2), (5,3,3)",
"solution": "Solution:\n\nSi $p=2$ alors on a $3(q+2)(r+3)=8 q r$ ce qui implique $q=3$ ou $r=3$. On a alors la solution $(2,3,5)$.\n\nSi $q=2$ et $p, r>2$ alors on a $(p+1)(r+3)=2 p r$. Puisque $p$ et $r$ sont impairs, le membre de gauche est divisible par 4, alors que le membre de droite est divisible par 2, mais pas par 4, contradiction. Donc $p$ ou $r$ vaut 2 mais aucune solution valide n'en découle.\n\nSi $r=2$ alors $5(p+1)(q+2)=8 p q$ et donc $p$ ou $q$ vaut 5. On obtient la solution $(7,5,2)$.\n\nSinon, $(p+1)$ est pair et $(r+3)$ est pair. Donc on se ramène à\n$$\n\\left(\\frac{p+1}{2}\\right)(q+2)\\left(\\frac{r+3}{2}\\right)=p q r.\n$$\nNous avons donc écrit $p q r$ comme un produit de trois facteurs strictement plus grands que 1. On en déduit que $\\left(\\frac{p+1}{2}, q+2, \\frac{r+3}{2}\\right)$ est une permutation de $(p, q, r)$.\n\nClairement, $p \\neq \\frac{p+1}{2}$ puisque $p>\\frac{p+1}{2}$.\n\nSi $p=\\frac{r+3}{2}$, alors puisque $q \\neq q+2$, nous avons nécessairement $q=\\frac{p+1}{2}=\\frac{r+5}{4}$. Alors $r=q+2=\\frac{r+13}{4}$, et donc $r$ n'est pas entier.\n\nSi $p=q+2$, alors il y a deux cas à considérer :\n\n- $r=\\frac{p+1}{2}=\\frac{q+3}{2}$ et $q=\\frac{r+3}{2}=\\frac{q+9}{4}$. Donc $q=3$ et on obtient la solution $(5,3,3)$.\n\n- $r=\\frac{r+3}{2}$ et $q=\\frac{p+1}{2}=\\frac{q+3}{2}$, ce qui donne $r=q=3$. On obtient alors cette même solution $(5,3,3)$.\n\nFinalement, les seules solutions sont $(2,3,5)$, $(7,5,2)$ et $(5,3,3)$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30246,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nUn grand carré de côté $n$ est découpé en $n^{2}$ petits carrés de côté $1$. On veut colorier en rouge ou bleu chacun des $(n+1)^{2}$ sommets des petits carrés de telle manière que chacun des petits carrés a exactement $2$ sommets rouges. Combien y a-t-il de coloriages possibles?",
"options": [],
"answer": "2^{n+2} - 2",
"solution": "Solution:\n\nLa réponse est $2^{n+2} - 2$. Pour le montrer, on commence par colorier les $n+1$ sommets les plus hauts. Il y a $2^{n+1}$ manières de le faire.\n\nSi il existe deux sommets consécutifs de même couleur sur la rangée supérieure ($2^{n+1} - 2$ coloriages de la rangée supérieure), alors ils fixent les couleurs sur la rangée juste en-dessous, et ainsi de suite, ce qui donne $2^{n+1} - 2$ coloriages.\n\nSi les couleurs sur la rangée supérieure sont alternées (2 coloriages de la rangée supérieure), alors on est obligé d'alterner les couleurs sur la rangée d'en-dessous, et sur les suivantes... On peut cependant, à chaque ligne, choisir la couleur par laquelle on commence, ce qui donne $2 \\times 2^{n}$ coloriages, donc $2^{n+2} - 2$ au total.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30247,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nÀ l'intérieur du cercle $\\Gamma$ se trouvent trois cercles $\\gamma_{1}$, $\\gamma_{2}$ et $\\gamma_{3}$, et tangents à $\\Gamma$ respectivement en $A$, $B$ et $C$, tous distincts. Les cercles $\\gamma_{2}$ et $\\gamma_{3}$ ont un point commun $K$ qui appartient à $[BC]$, les cercles $\\gamma_{3}$ et $\\gamma_{1}$ ont un point commun $L$ qui appartient à $[CA]$, et les cercles $\\gamma_{1}$ et $\\gamma_{2}$ ont un point commun $M$ qui appartient à $[AB]$.\n\nProuver que le centre de $\\Gamma$ appartient à $\\gamma_{1}$, $\\gamma_{2}$ et $\\gamma_{3}$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nSoit $X$ un point de la tangente commune à $\\Gamma$ et $\\gamma_{1}$, et situé du côté opposé à $C$ par rapport à la droite $(AB)$. Alors $\\widehat{ALM}=\\widehat{XAM}=\\widehat{XAB}=\\widehat{ACB}$, ce qui assure que $(ML)$ et $(BC)$ sont parallèles. De même, on a $(KM)$ et $(AC)$ parallèles, ainsi que $(KL)$ et $(AB)$ parallèles.\n\nPosons $x=\\frac{AM}{AB}$. D'après le théorème de Thalès, on a alors :\n$$\n\\frac{BK}{BC}=\\frac{BM}{BA}=1-x \\text{ et } \\frac{CL}{CA}=\\frac{CK}{CB}=1-(1-x)=x\n$$\nAinsi $x=\\frac{AM}{AB}=\\frac{AL}{AC}=1-x$, d'où $x=\\frac{1}{2}$.\n\nLes points $M$, $K$, $L$ sont donc les milieux respectifs des segments $[AB]$, $[BC]$, $[CA]$, et les triangles $AML$, $MBK$, $LKC$ sont tous semblables à $ABC$ dans un rapport $\\frac{1}{2}$. Si on note $r_{1}$, $r_{2}$, $r_{3}$ et $R$ les rayons respectifs des cercles $\\gamma_{1}$, $\\gamma_{2}$, $\\gamma_{3}$ et $\\Gamma$, on en déduit que $r_{1}=r_{2}=r_{3}=\\frac{1}{2}R$.\n\nD'autre part, puisque $\\gamma_{1}$ et $\\Gamma$ sont tangents en $A$ les diamètres issus de $A$ dans $\\gamma_{1}$ et $\\Gamma$ sont portés par la même droite. Ainsi, le centre de $\\Gamma$ appartient à $\\gamma_{1}$, et on prouve de même qu'il appartient également à $\\gamma_{2}$ et $\\gamma_{3}$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30248,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nDéterminer tous les réels $t$ pour lesquels le polynôme\n$$\nP(x)=x^{3}+3 t x^{2}+(4 t-1) x+t\n$$\npossède deux racines réelles dont la différence est égale à 1.",
"options": [],
"answer": "10/9, 6/5, 0",
"solution": "Solution:\nSi $t$ est un réel fixé, on pose $P_{t}(x)=x^{3}+3 t x^{2}+(4 t-1) x+t$.\nLa première chose à remarquer est que, pour tout $t$, on a $P_{t}(-1)=0$. Par suite, -1 est une racine du polynôme $P_{t}$, ce qui assure que $P_{t}(x)$ est factorisable par $x+1$. On trouve ainsi que\n$$\nP_{t}(x)=(x+1)\\left(x^{2}+(3 t-1) x+t\\right)\n$$\npour tout réels $x$ et $t$.\nSoit $t$ un réel pour lequel $P_{t}$ possède deux racines réelles dont la différence est égale à 1, disons $a$ et $a+1$.\n- Si $a=-1$ : il faut et il suffit que 0 soit également une racine de $P_{t}$. Comme $P_{t}(0)=t$, cela signifie que $t=0$.\n- Si $a+1=-1$, il faut et il suffit que -2 soit également une racine de $P_{t}$. Comme $P_{t}(-2)=5 t-6$, cela signifie que $t=\\frac{6}{5}$.\n- Si -1 n'est ni $a$ ni $a+1$, c'est donc que $a$ et $a+1$ sont les racines de $x^{2}+(3 t-1) x+t$. On a donc $a^{2}+(3 t-1) a+t=0$ et $(a+1)^{2}+(3 t-1)(a+1)+t=0$. Par soustraction, il vient $2 a+1+3 t-1=0$, soit donc $a=-\\frac{3 t}{2}$. En reportant dans la première équation ci-dessus, il vient alors $-9 t^{2}+10 t=0$, soit $t=0$ ou $t=\\frac{10}{9}$.\nRéciproquement, on a déjà vu que $t=0$ convenait et, pour $t=\\frac{10}{9}$, les racines de $P_{t}$ sont $-1,-\\frac{2}{3}$ et $-\\frac{5}{3}$, ce qui prouve que $t=\\frac{10}{9}$ est bien une solution du problème.\nFinalement, les réels $t$ cherchés sont $\\frac{10}{9}, \\frac{6}{5}$ et $0$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30249,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver toutes les fonctions $f$ de $\\mathbb{R}$ dans $\\mathbb{R}$ telles que pour tous réels $x, y$,\n$$\nf(x) f(y)=f(x y)+x+y\n$$",
"options": [],
"answer": "f(x) = 1 + x for all real x",
"solution": "Solution:\n\nEn évaluant en $y=0$ on obtient $f(x) f(0)=f(0)+x$ pour tout réel $x$.\n\nPour $x=1$, on obtient que $f(0) \\neq 0$, sinon on aurait $1=0$.\n\nEn évaluant en $x=0$ on obtient $f(0)^2=f(0)$ donc $f(0)=1$.\n\nDonc $f(x)=1+x$ pour tout $x$ réel.\n\nRéciproquement, soit $f$ la fonction telle que $f(x)=1+x$ pour tout $x$ réel et soit $(x, y) \\in \\mathbb{R}^2$, alors $f(x) f(y)=(1+x)(1+y)=1+xy+x+y=f(xy)+x+y$ donc $f$ vérifie bien l'équation.\n\nL'unique solution de l'équation est donc la fonction $f$ telle que $f(x)=1+x$ pour tout $x$ réel.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30250,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $n \\geqslant 1$ un entier. On suppose qu'il existe exactement 2005 couples $(x, y)$ d'entiers naturels tels que $\\frac{1}{x}+\\frac{1}{y}=\\frac{1}{n}$. Montrer que $n$ est le carré d'un entier.\n\nN.B. Si $x \\neq y$ alors $(x, y) \\neq (y, x)$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nOn remarque que $x > n$ et $y > n$.\nL'équation s'écrit $x y = n(x + y)$, ou encore $n^{2} = (x - n)(y - n)$. On en déduit qu'il y a exactement 2005 couples d'entiers naturels $(u, v)$ tels que $n^{2} = u v$.\nSi $n^{2} = u v$ alors $u$ est un diviseur de $n^{2}$. Réciproquement, si $u$ est un diviseur de $n^{2}$ alors l'équation $n^{2} = u v$ détermine uniquement $v$. On en déduit que $n^{2}$ admet exactement 2005 diviseurs.\n\nÉcrivons $n = p_{1}^{\\alpha_{1}} \\cdots p_{r}^{\\alpha_{r}}$ avec $p_{i}$ premiers distincts et $\\alpha_{i}$ entiers. On a donc $n^{2} = p_{1}^{2 \\alpha_{1}} \\cdots p_{r}^{2 \\alpha_{r}}$. On sait que le nombre de diviseurs de $n^{2}$ est égal à $\\left(2 \\alpha_{1} + 1\\right) \\cdots \\left(2 \\alpha_{r} + 1\\right)$. Or, la décomposition en facteurs premiers de 2005 est $5 \\times 401$, donc soit $r = 1$ et $2 \\alpha_{1} + 1 = 2005$, soit $r = 2$ et $2 \\alpha_{1} + 1 = 5$, $2 \\alpha_{2} + 1 = 401$. Dans tous les cas, les $\\alpha_{i}$ sont pairs donc $n$ est un carré parfait.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30251,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoient $\\omega_{1}$ et $\\omega_{2}$ deux cercles disjoints. Une tangente commune extérieure à ces deux cercles coupe $\\omega_{1}$ en $A$ et $\\omega_{2}$ en $B$. La deuxième tangente commune extérieure à ces deux cercles coupe $\\omega_{1}$ en $D$ et $\\omega_{2}$ en $C$. La droite $(BD)$ coupe $\\omega_{1}$ en le point $P$ autre que $D$ et $\\omega_{2}$ en le point $Q$ autre que $B$. Montrer que $BQ = DP$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nUne symétrie axiale par rapport à la droite joignant les centres des deux cercles échange $A$ et $D$ ainsi que $B$ et $C$. Donc, $AB = DC$. On pense alors à appliquer la puissance d'un point, on a alors :\n$$\nDQ \\cdot DB = DC^{2} = AB^{2} = BP \\cdot BD\n$$\nou la première égalité vient de la puissance du point depuis $D$ par rapport à $\\omega_{2}$ et la troisième égalité vient de la puissance du point depuis $B$ par rapport au cercle $\\omega_{1}$. On peut réécrire cette identité de la manière suivante :\n$$\n(BP - DQ) BD = 0\n$$\nCela implique que $BP = DQ$ et donc que $DP = BQ$, d'où la conclusion.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30252,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle isocèle et obtus en $A$. Soit $\\Gamma$ le cercle de centre $B$ passant par $A$, et $\\Omega$ le cercle de centre $C$ passant par $A$. Soit $D$ le point d'intersection du cercle $\\Gamma$ avec le segment $[BC]$, $E$ le deuxième point d'intersection de la droite $(AD)$ avec le cercle $\\Omega$, et $F$ le point d'intersection de la droite $(BC)$ avec le cercle $\\Omega$ qui n'est pas sur le segment $[BC]$.\nMontrer que le triangle $DFE$ est isocèle en $F$.\n\n",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $X$ le point d'intersection du cercle $\\Omega$ avec le segment $[BC]$. Les points $B$ et $C$ sont symétriques par rapport à la médiatrice du segment $[BC]$ donc les cercles $\\Gamma$ et $\\Omega$ le sont aussi. Il vient que $D$ et $X$ sont symétriques par rapport à la médiatrice du segment $[BC]$. Le triangle $DAX$ est donc isocèle en $A$ et $\\widehat{ADX} = \\widehat{AXD}$.\n\nLes points $F, E, X$ et $A$ sont cocycliques donc $\\widehat{FEA} = \\widehat{FXA}$. On déduit\n$$\n\\widehat{FED} = \\widehat{FEA} = \\widehat{FXA} = \\widehat{DXA} = \\widehat{XDA} = \\widehat{FDE}\n$$\nCe qui donne bien que le triangle $FDE$ est isocèle en $F$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30253,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoient $\\left(a_{n}\\right)_{n \\geqslant 1}$ une suite croissante d'entiers strictement positifs et $k$ un entier strictement positif. Supposons que pour un certain $r \\geqslant 1$, on $\\frac{r}{a_{r}}=k+1$. Montrer qu'il existe un entier $s \\geqslant 1$ tel que $\\frac{s}{a_{s}}=k$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $v_{n}=n-k a_{n}$ pour tout $n \\geqslant 1$. Le problème revient à montrer qu'il existe $s$ tel que $v_{s}=0$.\n\nOn observe que $v_{1}=1-k a_{1} \\leqslant 0$, que $v_{r}=r-k a_{r}=a_{r}>0$ et qu'enfin $v_{n+1}= (n+1)-k a_{n+1}=n-k a_{n+1}+1 \\leqslant n-k a_{n}+1=v_{n}+1$, car la suite $\\left(a_{n}\\right)_{n}$ est croissante.\n\nIntuitivement, on a donc une suite d'entiers qui part d'un nombre négatif, atteint un nombre strictement positif, et ne peut augmenter que d'au plus 1 à chaque fois : elle doit atteindre 0. Prouvons-le : soit $s$ le plus grand entier inférieur à $r$ tel que $v_{s} \\leqslant 0$ (il existe car $v_{1} \\leqslant 0$). Alors, comme $v_{r}>0$, on a $s u$. Alors:\n$$\nv_{p}\\left(\\binom{p}{j} p^{jk} a^{p-j}\\right) \\geq k+u(p-1)+2\n$$\nDémonstration: D'après le lemme 1, pour $2 \\leq j \\leq p-1$, on a $v_{p}\\left(\\binom{p}{j} p^{jk} a^{p-j}\\right) \\geq 1+jk+u(p-j)$. Il suffit donc de prouver que $1+jk+u(p-j) \\geq k+u(p-1)+2$, ce qui est équivalent au fait que $(j-1)(k-u) \\geq 1$, ce qui est clairement vérifié. Pour $j=p$, on a $v_{p}\\left(\\binom{p}{j} p^{jk} a^{p-j}\\right)=pk$, qui est supérieur ou égal à $k+u(p-1)+2$ car l'inégalité $pk \\geq k+u(p-1)+2$ est équivalente à $(p-1)(k-u) \\geq 2$, qui est clairement vraie.\n\nLemme 3\nOn a $(2n)^{\\frac{1}{n-1}}<2$ pour tout entier $n \\geq 5$.\nDémonstration: On raisonne par récurrence sur $n$. Pour $n=5$, on a clairement $10<2^{4}$. On suppose que $2n<2^{n-1}$. Alors $2(n+1)=2n+2 \\leq 2^{n-1}+1<2^{n}$ car $2^{n}-2^{n-1}=2^{n-1}>1$. Ceci clôt la preuve.\n\nRésolvons maintenant l'exercice. On considère en un premier temps le cas $p=2$. Si $c<2$, la seule solution est $a=b=c=1$. Si $c \\geq 2$ et $a^{2}+b^{2}=2^{c}$, en raisonnant modulo 4, on voit que $a$ et $b$ doivent être pairs. Soit $u=\\min \\left(v_{2}(a), v_{2}(b)\\right)$. Alors $\\left(a / 2^{u}\\right)^{2}+\\left(b / 2^{u}\\right)^{2}=2^{c-2u}$. Si $c-2u \\geq 2$, alors $a / 2^{u}$ et $b / 2^{u}$ sont des entiers pairs, ce qui contredit la définition de $u$. Donc $c-2u=1$ et $a=b=2^{u}$. Pour conclure, on vérifie aisément que pour tout entier $u \\geq 0$ :\n$$\n\\left(2^{u}\\right)^{2}+\\left(2^{u}\\right)^{2}=2^{2u+1} .\n$$\n\nOn suppose maintenant que $p>2$. Soient $a, b, c \\geq 1$ des entiers tels que $a^{p}+b^{p}=p^{c}$. Sans perte de généralité, supposons $a \\geq b$. Comme $a+b$ divise $a^{p}+b^{p}$, il existe un entier $k \\geq 1$ tel que :\n$$\na+b=p^{k}\n$$\nSoit $u=v_{p}(a)$. En particulier, (5) implique que $a p^{u}$ implique $a \\geq 2p^{u}$. D'après le Lemme 3, comme $(2p)^{\\frac{1}{p-1}}<2$ pour $p \\geq 5$, on en déduit que $p \\geq 5$ implique $a=p^{u}$, et que $p=3$ implique $a=3^{u}$ ou $a=2 \\cdot 3^{u}$ (le cas $p=2$ est exclu car $p$ est impair).\n\nOn étudie d'abord le cas $a=p^{u}$. On a alors:\n$$\nb^{p}=p^{up}\\left(p^{c-up}-1\\right),\n$$\nde sorte que $v_{p}(b)=p^{u}$. Comme $a \\geq b$ et $a=p^{u}$, ceci implique $a=b$, et donc 2 divise $p$, ce qui est exclu car $p$ est impair.\n\nOn a donc prouvé que ($p$ est impair) :\n$$\na^{p}+b^{p}=p^{c} \\text{ et } a \\geq b \\quad \\Longrightarrow \\quad p=3, \\quad a=2 \\cdot 3^{u} .\n$$\nDans la suite on suppose donc que $p=3$ et $a=2 \\cdot 3^{u}$. Alors $b^{3}=3^{3u}\\left(3^{c-3u}-8\\right)$. Donc $3^{u}$ divise $b$. Par suite $3^{u} \\leq b \\leq a=2 \\cdot 3^{u}$. Si $b=a$, alors 2 divise $p^{c}$, ce qui contredit le fait que $p$ est impair. Donc $b=3^{u}$, ce qui implique $\\left(3^{u}\\right)^{3}+\\left(2 \\cdot 3^{u}\\right)^{3}=3^{3u+2}=3^{c}$. Finalement, $c=3u+2$ et on vérifie aisément que pour tout entier $u \\geq 0$ :\n$$\n\\left(2 \\cdot 3^{u}\\right)^{3}+\\left(3^{u}\\right)^{3}=3^{2+3u} .\n$$\nAinsi $p=3, a=2 \\cdot 3^{u}, b=3^{u}, c=2+3u$ pour un certain entier $u \\geq 0$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30318,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nProuver que, pour tous réels $a, b, c > 0$ et tout réel $t \\geqslant 0$, on a\n$$\n\\frac{a}{b+t c}+\\frac{b}{c+t a}+\\frac{c}{a+t b} \\geqslant \\frac{3}{1+t} .\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nPosons $x = b + t c$, $y = c + t a$, $z = a + t b$. On vérifie que\n$$\n\\begin{aligned}\n(1 + t^3) a & = z - t x + t^2 y \\\\\n(1 + t^3) b & = x - t y + t^2 z \\\\\n(1 + t^3) c & = y - t z + t^2 x\n\\end{aligned}\n$$\ndonc, d'après l'inégalité arithmético-géométrique,\n$$\n\\begin{aligned}\n(1 + t^3)\\left(\\frac{a}{b + t c} + \\frac{b}{c + t a} + \\frac{c}{a + t b}\\right) & = \\frac{z - t x + t^2 y}{x} + \\frac{x - t y + t^2 z}{y} + \\frac{y - t z + t^2 x}{z} \\\\\n& = \\left(\\frac{z}{x} + \\frac{x}{y} + \\frac{y}{z}\\right) + t^2\\left(\\frac{y}{x} + \\frac{z}{y} + \\frac{x}{z}\\right) - 3 t \\\\\n& \\geqslant 3 \\sqrt[3]{\\frac{z}{x} \\frac{x}{y} \\frac{y}{z}} + 3 t^2 \\sqrt[3]{\\frac{y}{x} \\frac{z}{y} \\frac{x}{z}} - 3 t \\\\\n& = 3(1 - t + t^2) = 3 \\frac{1 + t^3}{1 + t}\n\\end{aligned}\n$$\nd'où la conclusion.\n\n\nSolution 2:\n\nPuisque l'inégalité est homogène en $a, b, c$, on peut supposer que $a + b + c = 1$. Comme le membre de gauche est égal à $a f(x) + b f(y) + c f(z)$ où $x = b + t c$, $y = c + t a$, $z = a + t b$ et $f(x)$ est la fonction convexe $x \\mapsto \\frac{1}{x}$, d'après l'inégalité de Jensen le membre de gauche est supérieur ou égal à\n$$\nf(a x + b y + t z) = \\frac{1}{a b + t a c + b c + t b a + c a + t a b} = \\frac{1}{(1 + t)(a b + b c + c a)},\n$$\ndonc il suffit de prouver que $a b + b c + c a \\leqslant \\frac{1}{3}$.\nOr, $1 = (a + b + c)^2 = a^2 + b^2 + c^2 + 2(a b + b c + c a)$ donc il suffit de montrer que $a^2 + b^2 + c^2 \\geqslant \\frac{1}{3}$, ce qui découle de l'inégalité entre la moyenne arithmétique et la moyenne quadratique de $a, b, c$.\n\n\nSolution 3:\n\nD'après l'inégalité de Cauchy-Schwarz,\n$$\n\\left(\\frac{a^2}{a b + t c a} + \\frac{b^2}{b c + t a b} + \\frac{c^2}{c a + t b c}\\right) \\cdot ((a b + t c a) + (b c + t a b) + (c a + t b c)) \\geqslant (a + b + c)^2\n$$\nce qui s'écrit\n$$\n\\left(\\frac{a}{b + t c} + \\frac{b}{c + t a} + \\frac{c}{a + t b}\\right) \\cdot (1 + t)(a b + b c + c a) \\geqslant a^2 + b^2 + c^2 + 2(a b + b c + c a).\n$$\nOr, on a $a^2 + b^2 + c^2 \\geqslant a b + b c + c a$ d'après l'inégalité de réordonnement (ou d'après celle de Cauchy-Schwarz), donc\n$$\n\\left(\\frac{a}{b + t c} + \\frac{b}{c + t a} + \\frac{c}{a + t b}\\right) \\cdot (1 + t)(a b + b c + c a) \\geqslant 3(a b + b c + c a)\n$$\nL'inégalité demandée en découle après division par $(1 + t)(a b + b c + c a)$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30319,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nTrouver cent entiers positifs distincts $n_{1}, \\ldots, n_{100}$ tels que\n$$\n1=\\frac{1}{n_{1}}+\\frac{1}{n_{2}}+\\cdots+\\frac{1}{n_{100}}\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\nNous montrerons par récurrence la propriété suivante :\nPour tout entier $k \\geqslant 3$ on peut trouver $k$ entiers positifs $n_{1} 0$ tels que l'équation en $x$ et $y$ :\n$$\nx(x+k)=y(y+1)\n$$\nait une solution en entiers strictement positifs.",
"options": [],
"answer": "k = 1 and all integers k ≥ 4",
"solution": "Solution:\nL'équation de l'énoncé s'écrit encore $\\left(x+\\frac{k}{2}\\right)^{2}=\\left(y+\\frac{1}{2}\\right)^{2}+\\frac{k^{2}-1}{4}$, soit, en factorisant:\n$$\n\\left(x-y+\\frac{k-1}{2}\\right) \\cdot\\left(x+y+\\frac{k+1}{2}\\right)=\\frac{k^{2}-1}{4} .\n$$\nDistinguons deux cas selon la parité de $k$.\n\nSi $k$ est impair, on écrit $k=2 a+1$ et l'équation précédente devient $(x-y+a)(x+y+a+1)=a(a+1)$. En écrivant que le premier facteur vaut 1 et le second $a(a+1)$, on obtient $x=\\frac{a(a-1)}{2}$ et $y=x+(a-1)=\\frac{(a-1)(a+2)}{2}$. Étant donné que le produit de deux entiers consécutifs est toujours pair, les valeurs que l'on vient d'obtenir forment une solution dès que $a>1$. Pour $a=1$ (i.e. $k=3$ ), au contraire, il n'y a pas de solution, car l'égalité $(x-y+1)(x+y+2)=2$ ne peut être satisfaite étant donné que le deuxième facteur est toujours $>2$ lorsque $x$ et $y$ sont strictement positifs. Pour $a=0$, enfin, on a $k=1$ et, clairement, tous les couples $(x, y)$ conviennent.\n\nOn raisonne de manière analogue dans le cas où $k$ est pair. On pose $k=2 a$ et l'équation (2) devient $(2 x-2 y+2 a-1)(2 x+2 y+2 a+1)=4 a^{2}-1$. Comme précédemment, en demandant que le premier facteur vaille 1, on obtient un système en $x$ et $y$ dont les solutions sont $x=a(a-1)$ et $y=(a+1)(a-1)$. Cette solution est acceptable dès que $a>1$. Pour $a=1$, l'équation à résoudre devient $(2 x-2 y+1)(2 x+2 y+3)=3$ et elle n'a pas de solution avec $x, y>0$ étant donné que cette dernière condition implique que le deuxième facteur est $>3$.\n\nEn résumé, les entiers $k$ convenables sont $k=1$ et tous les entiers $k \\geqslant 4$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30386,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nUn cercle de centre $O$ est inscrit dans un quadrilatère $A B C D$ dont les côtés ne sont pas parallèles. Montrer que le point $O$ coïncide avec le point d'intersection des lignes médianes du quadrilatère si et seulement si $O A \\cdot O C=O B \\cdot O D$. (Une ligne médiane du quadrilatère est une droite reliant les milieux des côtés opposés.)",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoient $I$ et $J$ les milieux des côtés $[A B]$ et $[C D]$ respectivement. Les droites $(A B)$ et $(C D)$ se coupent au point $P$. Sans perte de généralité, on peut supposer que $P$ est le point d'intersection des demi-droites $[A B)$ et $[C D)$.\n\n\n\n1) Supposons que $O$ est le point d'intersection des lignes médianes du quadrilatère $A B C D$. Alors $O$ est le milieu du segment $[I J]$, parce que les milieux des côtés d'un quadrilatère sont les sommets d'un parallélogramme. Puis, $[P O]$ est la bissectrice et la médiane issus de $P$ du triangle $I P J$, donc $I P J$ est isocèle en $P$ et $\\widehat{B I O}=\\widehat{C J O}$. En outre,\n$$\n\\widehat{I B O}+\\widehat{J C O}=\\frac{1}{2}(\\widehat{A B C}+\\widehat{B C D})=\\frac{1}{2}(\\pi+\\widehat{B P C})=\\pi-\\widehat{P I J}=\\widehat{I B O}+\\widehat{I O B}\n$$\nAlors $\\widehat{J C O}=\\widehat{I O B}$ et les triangles $O I B$ et $C J O$ sont semblables. On obtient que $\\frac{O B}{O C}=\\frac{I B}{J O}$. De même, on a $\\frac{O A}{O D}=\\frac{I A}{J O}$. Comme $I B=I A$, on obtient $O A \\cdot O C=O B \\cdot O D$.\n\n2) On suppose maintenant que $O A \\cdot O C=O B \\cdot O D$. On note que\n$$\n\\begin{aligned}\n\\widehat{A O B}+\\widehat{C O D} & = (\\pi-\\widehat{O A B}-\\widehat{O B A}) + (\\pi-\\widehat{O C D}-\\widehat{O D C}) \\\\\n& = \\pi-\\frac{1}{2}(\\widehat{D A B}+\\widehat{A B C}+\\widehat{B C D}+\\widehat{C D A})=\\pi\n\\end{aligned}\n$$\nPar conséquent, si on construit les parallélogrammes $O A K B$ et $C O D L$ à partir des triangles $O A B$ et $O C D$, ces parallélogrammes seront semblables, parce que $\\frac{O A}{A K}=\\frac{O A}{O B}=\\frac{D O}{O C}=\\frac{D O}{D L}$. En particulier, les triangles $O I B$ et $C J O$ sont également semblables, parce qu'ils se correspondent mutuellement dans les parallélogrammes semblables $O A K B$ et $C O D L$. Il vient\n$$\n\\widehat{I O B}=\\widehat{O C J}=\\widehat{O C B}, \\quad \\widehat{C O J}=\\widehat{I B O}=\\widehat{O B C}\n$$\nOn obtient que\n$$\n\\widehat{I O B}+\\widehat{B O C}+\\widehat{C O J}=\\widehat{O C B}+\\widehat{B O C}+\\widehat{O B C}=\\pi,\n$$\ndonc $O$ se trouve sur $(I J)$. De même, $O$ se trouve sur l'autre ligne médiane du quadrilatère $A B C D$.\nSolution:\n\nOn peut résoudre l'exercice par une méthode analytique utilisant les nombres complexes. Les calculs sont longs mais pas impraticables.\n\nNotons $U, V, W, X$ les points de contact des droites $(A B),(B C),(C D)$ et $(D A)$ avec le cercle. On peut supposer que le cercle est de centre 0 et de rayon 1. Notons $a, b, c, d, u, v, w, x$ les affixes des points $A, B, C, D, U, V, W, X$.\n\n\n\nUn point d'affixe $z$ appartient à $(A B)$ si et seulement si $z-u$ est perpendiculaire à $u$, ce qui s'écrit $0=\\bar{u}(z-u)+u(\\bar{z}-\\bar{u})$, ou encore $\\bar{u} z+u \\bar{z}=2$. Comme $\\bar{u}=1 / u$, ceci s'écrit encore $z+u^{2} \\bar{z}=2 u$. De même, l'équation de la droite $(A D)$ est $z+x^{2} \\bar{z}=2 x$. En combinant ces deux équations, on trouve que\n$$\na=\\frac{2 u x}{u+x}.\n$$\nDe même, on a $b=\\frac{2 u v}{u+v}$, $c=\\frac{2 v w}{v+w}$ et $d=\\frac{2 w x}{w+x}$.\n\nOn calcule que $4 O A^{-2}=|u+x|^{2}=2+u \\bar{x}+\\bar{u} x$. On a des expressions analogues pour $4 O B^{-2}$, etc. Par conséquent,\n$$\n\\begin{aligned}\nO A \\cdot O C & =O B \\cdot O D \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad(2+u \\bar{x}+\\bar{u} x)(2+v \\bar{w}+\\bar{v} w)=(2+u \\bar{v}+\\bar{u} v)(2+w \\bar{x}+\\bar{w} x) \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad u x(2+u \\bar{x}+\\bar{u} x) v w(2+v \\bar{w}+\\bar{v} w)=u v(2+u \\bar{v}+\\bar{u} v) w x(2+w \\bar{x}+\\bar{w} x) \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad\\left(2 u x+u^{2}+x^{2}\\right)\\left(2 v w+v^{2}+w^{2}\\right)=\\left(2 u v+u^{2}+v^{2}\\right)\\left(2 w x+x^{2}+w^{2}\\right) \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad 2 u v^{2} x+2 u w^{2} x+2 u^{2} v w+u^{2} v^{2}+2 v w x^{2}+w^{2} x^{2} \\\\\n& =2 u v x^{2}+2 u v w^{2}+2 u^{2} w x+u^{2} x^{2}+2 v^{2} w x+v^{2} w^{2} \\\\\n& \\Longleftrightarrow 2(u-w) v^{2} x-2(u-w) u w x+2(u-w) u v w \\\\\n& \\quad-2(u-w) v x^{2}+(u-w)(u+w) v^{2}-(u-w)(u+w) x^{2}=0 \\\\\n& \\Longleftrightarrow 2 v^{2} x-2 u w x+2 u v w-2 v x^{2}+u v^{2}+v^{2} w-u x^{2}-w x^{2}=0 \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad 2 v x(v-x)+(v-x) w(v+x)+2 u w(v-x)+u(v+x)(v-x)=0 \\\\\n& \\Longleftrightarrow 2 v x+v w+v x+2 u w+u v+u x=0 \\\\\n& \\Longleftrightarrow 2(u w+x v)+(x+v)(u+w)=0 .\n\\end{aligned}\n$$\n\nD'autre part, $O$ appartient à la droite passant par les milieux de $[A D]$ et de $[B C]$ si et seulement si $0, \\frac{a+d}{2}$ et $\\frac{b+c}{2}$ sont alignés, ce qui se traduit par le fait que $\\frac{a+d}{b+c}$ est réel, c'est-à-dire\n$$\n\\frac{\\frac{u x}{u+x}+\\frac{x w}{x+w}}{\\frac{u v}{u+v}+\\frac{v w}{v+w}}=\\frac{\\frac{1}{u+x}+\\frac{1}{w+x}}{\\frac{1}{u+v}+\\frac{1}{v+w}}\n$$\nOn multiplie les numérateurs de chaque membre par $(u+x)(x+w)$ et les dénominateurs par $(u+v)(v+w)$, ce qui donne successivement\n$$\n\\begin{aligned}\n& \\frac{x[u(x+w)+w(u+x)]}{v[u(v+w)+w(u+v)]}=\\frac{2 x+(u+w)}{2 v+(u+w)} \\\\\n& \\quad \\Longleftrightarrow \\quad x[2 u w+u(u+w)][2 v+(u+w)]=v[2 u w+v(u+w)][2 x+(u+w)] \\\\\n& \\Longleftrightarrow \\quad 2 x u w(u+w)+2 x^{2} v(u+w)+x^{2}(u+w)^{2} \\\\\n& \\quad=2 v u w(u+w)+2 x v^{2}(u+w)+v^{2}(u+w)^{2} \\\\\n& \\quad \\Longleftrightarrow \\quad 2(x-v) u w(u+w)+2(x-v) x v(u+w)+(x-v)(x+v)(u+w)^{2}=0\n\\end{aligned}\n$$\nComme les côtés opposés ne sont pas parallèles, on a $u+w \\neq 0$. En simplifiant par $(x-v)(u+w)$, on obtient la condition $2 u w+2 x v+(x+v)(u+w)=0$ qui est la même que la précédente.\n\nOn en conclut que $O A \\cdot O C=O B \\cdot O D$ si et seulement si $O$ appartient à la droite passant par les milieux de $[A D]$ et de $[B C]$. De même, on montre que $O A \\cdot O C=O B \\cdot O D$ si et seulement si $O$ appartient à la droite passant par les milieux de $[A B]$ et de $[C D]$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30387,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoient $E$ un ensemble de cardinal $n$ et $\\mathscr{F}$ un ensemble de parties de $E$ avec $|\\mathscr{F}| = 2^{n-1}$ tel que pour tous $A$, $B$ et $C$ dans $\\mathscr{F}$, $A \\cap B \\cap C$ est non vide.\n\nMontrer que l'intersection de tous les éléments de $\\mathscr{F}$ est non vide.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSi $A \\subset E$, on notera $A^{c}$ son complémentaire : l'ensemble des parties de $E$ est partitionné en $2^{n-1}$ doubletons de la forme $\\{A, A^{c}\\}$ où $A \\subset E$. Or, il est impossible que les deux éléments d'un doubleton soient dans $\\mathscr{F}$, car leur intersection est vide, donc $\\mathscr{F}$ contient exactement un élément de chaque doubleton.\n\nSoient donc $A$ et $B$ dans $\\mathscr{F}$ : on va montrer que $A \\cap B \\in \\mathscr{F}$. D'après ce qu'on vient de dire, il suffit de montrer $(A \\cap B)^{c} \\notin \\mathscr{F}$. Or, ceci est vrai car $A \\cap B \\cap (A \\cap B)^{c}$ est vide.\n\nPar récurrence sur $k$, on en déduit que pour tous $A_{1}, A_{2}, \\ldots, A_{k}$ de $\\mathscr{F}$, $A_{1} \\cap A_{2} \\cap \\ldots \\cap A_{k} \\in \\mathscr{F}$. En effet, c'est vrai pour $k=2$ et si on l'a montré pour $k$, alors :\n$$\nA_{1} \\cap A_{2} \\cap \\ldots \\cap A_{k} = \\left(A_{1} \\cap A_{2} \\cap \\ldots \\cap A_{k-1}\\right) \\cap A_{k}\n$$\nest l'intersection de deux éléments de $\\mathscr{F}$, donc est dans $\\mathscr{F}$.\n\nComme $\\mathscr{F}$ est fini, l'intersection de tous les éléments de $\\mathscr{F}$ est dans $\\mathscr{F}$. Or, l'ensemble vide ne peut pas être dans $\\mathscr{F}$ car son intersection avec lui-même est vide, donc l'intersection de tous les éléments de $\\mathscr{F}$ n'est pas vide.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30388,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\nSoit $n>0$ un entier et $x_{1}, \\cdots, x_{n}$ des réels strictement positifs. Prouver que :\n$$\n\\begin{gathered}\n\\max _{x_{1}>0, \\cdots, x_{n}>0} \\min \\left(x_{1}, \\frac{1}{x_{1}}+x_{2}, \\cdots, \\frac{1}{x_{n-1}}+x_{n}, \\frac{1}{x_{n}}\\right)= \\\\\n\\min _{x_{1}>0, \\cdots, x_{n}>0} \\max \\left(x_{1}, \\frac{1}{x_{1}}+x_{2}, \\cdots, \\frac{1}{x_{n-1}}+x_{n}, \\frac{1}{x_{n}}\\right)=2 \\cos \\left(\\frac{\\pi}{n+2}\\right) .\n\\end{gathered}\n$$",
"options": [],
"answer": "2 cos(π/(n+2))",
"solution": "Solution:\nSoit $U$ l'ensemble des $n$-uplets de réels strictement positifs. Pour $x=\\left(x_{1}, \\cdots, x_{n}\\right) \\in U$, on pose\n$$\n\\begin{aligned}\n& \\quad m(x)=\\min \\left(x_{1}, \\frac{1}{x_{1}}+x_{2}, \\cdots, \\frac{1}{x_{n-1}}+x_{n}, \\frac{1}{x_{n}}\\right) \\\\\n& \\text{ et } M(x)=\\max \\left(x_{1}, \\frac{1}{x_{1}}+x_{2}, \\cdots, \\frac{1}{x_{n-1}}+x_{n}, \\frac{1}{x_{n}}\\right)\n\\end{aligned}\n$$\nNotre stratégie va consister à prouver qu'il existe $a \\in U$ tel que $m(a)=M(a)$ et que, pour tout $x \\in U$, on a $m(x) \\leqslant m(a)$ et $M(a) \\leqslant M(x)$.\nSoit $a=\\left(a_{1}, \\cdots, a_{n}\\right) \\in U$.\nLa condition $m(a)=M(a)$ s'écrit\n$$\na_{1}=\\frac{1}{a_{1}}+a_{2}=\\cdots=\\frac{1}{a_{n-1}}+a_{n}=\\frac{1}{a_{n}} .\n$$\nMais, admettons pour le moment que l'on ait déjà trouvé $a \\in U$ tel que $m(a)=M(a)$.\nPar l'absurde : On suppose qu'il existe $x \\in U$ tel que $m(x)>m(a)$.\nOn prouve alors par récurrence sur $k$ que $x_{k}>a_{k}$ pour tout $k \\in\\{1, \\cdots, n\\}$ :\nDéjà, on a $x_{1} \\geqslant m(x)>m(a)=a_{1}$.\nD'autre part, si $x_{k}>a_{k}$ pour un certain $k \\in\\{1, \\cdots, n-1\\}$, alors\n$$\n\\frac{1}{x_{k}}+x_{k+1} \\geqslant m(x)>m(a)=\\frac{1}{a_{k}}+a_{k+1}\n$$\nOr, d'après l'hypothèse de récurrence, on a $\\frac{1}{x_{k}}<\\frac{1}{a_{k}}$, d'où $x_{k+1}>a_{k+1}$, ce qui achève la récurrence.\nEn particulier, on a donc $x_{n}>a_{n}$.\nMais, $\\frac{1}{x_{n}} \\geqslant m(x)>m(a)=\\frac{1}{a_{n}}$, d'où $x_{n} 8000$. Impossible. On en déduit que $p \\in \\{1,2, n-2, n-1, n\\}$ et de même $q \\in \\{1,2,3, n-1, n\\}$.\n\nSi $p = n$ alors toutes les droites sont parallèles, et on a $f = n+1 = 2016$.\n\nSi $p = n-1$ alors toutes les droites sauf une sont parallèles, et on a $f = 2n = 4030$.\n\nSi $p = n-2$ et les deux droites restantes sont parallèles, ou bien sécantes sur l'une des $n-2$ premières droites, alors $f = 3(n-1) = 6042$.\n\nSi $p = n-2$ et les deux droites restantes sont sécantes ailleurs que sur les $n-2$ premières droites, alors $f = 3n-2 = 6043$.\n\nSi $q = n$ alors $f = 2n$.\n\nSi $q = n-1$ alors $f = 3n-3$ ou $3n-2$ selon que la dernière droite est parallèle ou non à l'une des premières droites.\n\nIl reste à traiter le cas où $p \\leqslant 2$ et $q \\leqslant 3$. Notons $D_1, \\ldots, D_{2015}$ les droites. À chaque fois que l'on trace une droite $D_i$ ($i > 1000$), celle-ci coupe au moins 999 des droites $D_1, \\ldots, D_{1000}$, et chacun de ces points d'intersection est commun à au plus deux de ces droites, donc on obtient au moins 500 points d'intersection entre $D_i$ et l'une des 1000 premières droites. Par conséquent, $D_i$ crée au moins 501 régions supplémentaires. On en déduit que $f \\geqslant 1015 \\times 501 > 8000$.\n\nExemples de configurations :\n\n- $f = 2016$ : toutes les droites sont parallèles.\n- $f = 4030$ : toutes les droites sauf une sont parallèles.\n- $f = 6042$ : $n-2$ droites parallèles, et les deux restantes sont parallèles entre elles ou sécantes sur l'une des $n-2$ premières.\n- $f = 6043$ : $n-2$ droites parallèles, et les deux restantes sont sécantes ailleurs que sur les $n-2$ premières droites.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30474,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nOn veut colorier les parties à trois éléments de $\\{1,2,3,4,5,6,7\\}$, de sorte que si deux de ces parties n'ont pas d'élément en commun alors elles soient de couleurs différentes. Quel est le nombre minimum de couleurs pour réaliser cet objectif?",
"options": [],
"answer": "3",
"solution": "Solution:\n\nConsidérons la suite de parties $\\{1,2,3\\},\\{4,5,6\\},\\{1,2,7\\},\\{3,4,6\\},\\{1,5,7\\},\\{2,3,6\\},\\{4,5,7\\}$, $\\{1,2,3\\}$.\nChaque partie doit avoir une couleur différente de la suivante, donc déjà il y a au moins deux couleurs. S'il n'y avait qu'exactement deux couleurs, alors les couleurs devraient alterner, ce qui est impossible car la dernière partie est la même que la première et devrait être de couleur opposée.\n\nRéciproquement, montrons que trois couleurs suffisent:\n- On colorie en bleu les parties qui contiennent au moins deux éléments parmi 1, 2, 3.\n- On colorie en vert les parties non coloriées en bleu et qui contiennent au moins deux éléments parmi 4, 5, 6.\n- On colorie en rouge les parties non coloriées en bleu ou en vert.\n\nIl est évident que deux parties bleues ont un élément en commun parmi 1, 2, 3 ; de même, deux parties vertes ont un élément en commun parmi $4,5,6$. Enfin, toute partie rouge contient trois éléments, dont contient nécessairement l'élément 7 : deux parties rouges ont donc également un élément en commun.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30475,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $A B C D$ un quadrilatère convexe. On note $P, Q, R$ et $S$ les milieux des côtés $[A B],[B C],[C D]$ et $[D A]$. Montrer que l'aire de $PQRS$ est égale à la moitié de l'aire de $A B C D$.\n\n",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nOn note $X$ l'intersection des diagonales de $A B C D$. $[P Q]$ coupe $[B D]$ en $Y$, et $[Q R]$ coupe $[A C]$ en $Z$. D'après le théorème de la droite des milieux, $(P Q)$ est parallèle à $(A C)$, donc $(Q Z)$ est parallèle à $(C X)$ et, de nouveau d'après le théorème de la droite des milieux, $Z$ est le milieu de $[B X]$, donc l'aire du triangle $X Q Z$ est la moitié de l'aire du triangle $X Q B$. De même, l'aire du triangle $X Q Y$ est la moitié de celle du triangle $X Q C$.\n\nLe quadrilatère $PQRS$ couvre donc la moitié du triangle $X B C$. De la même manière, il couvre la moitié des triangles $X C D$, $X D A$ et $X A B$, donc son aire est la moitié de celle de $A B C D$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30476,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver toutes les fonctions $f: \\mathbb{R} \\rightarrow \\mathbb{R}$ telles que $f(f(x)+3y)=12x+f(f(y)-x)$ pour tous $x, y \\in \\mathbb{R}$.",
"options": [],
"answer": "All functions of the form f(x) = a + 3x for any real constant a.",
"solution": "Solution:\n\nSoit $f$ une fonction satisfaisant à la condition de l'énoncé. L'idée est de montrer que $f$ est injective en utilisant le fait qu'elle est surjective.\n\nMontrons d'abord que $f$ est surjective. En prenant $y=-f(x)/3$ dans l'équation fonctionnelle, on obtient $f(f(y)-x)=f(0)-12x$. En faisant varier $x$, on voit que le membre de droite de cette dernière égalité peut prendre pour valeur n'importe quel nombre réel, et donc le membre de gauche aussi, ce qui implique que $f$ est surjective.\n\nMontrons que $f$ est injective. Soient $a, b \\in \\mathbb{R}$ tels que $f(a)=f(b)$. Nous allons montrer que $a=b$. En prenant $y=a$ et $y=b$ dans l'équation fonctionnelle, on obtient pour tout $x \\in \\mathbb{R}$\n$$\nf(f(x)+3a)=12x+f(f(a)-x)=12x+f(f(b)-x)=f(f(x)+3b)\n$$\noù on a utilisé le fait que $f(a)=f(b)$ pour la deuxième égalité. Ceci implique que pour tout $y \\in \\mathbb{R}$,\n$$\nf(y)=f(y+3(b-a))\n$$\nEn effet, si on fixe $y \\in \\mathbb{R}$, par surjectivité il existe $x$ tel que $f(x)=y-3a$ et en injectant dans (1), ceci donne (2). En particulier, $f(0)=f(3(b-a))$. Alors\n$$\nf(f(0))=f(f(3(b-a))+3 \\cdot 0)=12 \\cdot 3(b-a)+f(f(0)-3(b-a))=12 \\cdot 3(b-a)+f(f(0))\n$$\noù pour la première égalité on utilise le fait que $f(0)=f(3(b-a))$, pour la deuxième on utilise l'équation fonctionnelle de l'énoncé (avec $x=3(b-a)$ et $y=0$), pour la troisième égalité on utilise (2) (avec $y=f(0)-3(b-a)$). Donc $3(b-a)=0$ et $a=b$.\n\nPour conclure, en prenant $x=0$ dans l'équation de départ et en utilisant l'injectivité de $f$, on obtient\n$$\nf(y)=f(0)+3y\n$$\npour tout réel $y$.\n\nRéciproquement, on vérifie que les fonctions de la forme $f(x)=a+3x$ pour tout $x \\in \\mathbb{R}$ avec $a \\in \\mathbb{R}$ vérifient l'équation fonctionnelle de l'énoncé.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30477,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle. Soit $P$ appartenant au cercle circonscrit. On sait que les projetés de $P$ sur $(BC)$, $(CA)$ et $(AB)$ sont alignés sur la droite dite de Simson. On suppose que cette droite passe par le point diamétralement opposé à $P$. Montrer qu'elle passe également par le centre de gravité de $ABC$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nNotons $P'$ le point diamétralement opposé à $P$. Soit $\\Delta$ la droite de Simson. Soit $h$ l'homothétie de centre $P$ et de rapport $2$. Alors $h(\\Delta)$ est la droite de Steiner. On sait qu'elle passe par l'orthocentre $H$, donc $\\Delta$ passe par le milieu de $[PH]$. On en déduit que $\\Delta$ est la médiane de $PP'H$ issue de $P'$.\n\nPar ailleurs, $(HO)$ est la médiane de $PP'H$ issue de $H$. Comme $\\overrightarrow{HG}=\\frac{2}{3} \\overrightarrow{HO}$, le point $G$ est le centre de gravité de $PHP'$, donc $\\Delta$ passe par $G$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30478,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $n \\geqslant 1$. On a un nombre fini de bouteilles, chacune contenant une quantité d'eau inférieure à 1 litre, telles que la quantité totale d'eau est de $\\frac{n}{2}$ litres. On dispose également de $n$ seaux vides.\n\nMontrer qu'il est possible de vider chaque bouteille dans un seau (on peut vider plusieurs bouteilles dans le même seau, mais pas vider une bouteille en partie dans un seau et en partie dans un autre) de manière à avoir au plus 1 litre d'eau dans chaque seau.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nOn raisonne par récurrence sur $n$ :\n\nPour $n = 1$, il suffit de tout vider dans l'unique seau.\n\nSupposons le résultat vrai au rang $n$ : si on arrive à vider dans un seau un certain nombre de bouteilles représentant au total au moins $\\frac{1}{2}$ litre et au plus 1 litre, alors il restera $\\frac{n-1}{2}$ litres à vider dans les $n-1$ seaux restants, et on pourra appliquer l'hypothèse de récurrence pour conclure.\n\nS'il existe une bouteille contenant au moins $\\frac{1}{2}$ litre, on peut donc la vider dans le premier seau. Sinon, toutes les bouteilles contiennent moins de $\\frac{1}{2}$ litre. On les vide donc une par une dans le premier seau, et on s'arrête dès que le contenu du seau dépasse $\\frac{1}{2}$ litre : le seau contient alors plus de $\\frac{1}{2}$ litre. De plus, juste avant de vider la dernière bouteille, il contenait moins de $\\frac{1}{2}$ litre, et on a ajouté une bouteille, donc moins de $\\frac{1}{2}$ litre. Le seau contient donc moins de 1 litre, et on peut conclure par hypothèse de récurrence.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30479,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nDéterminer tous les polynômes $P$ et $Q$ à coefficients entiers tels que, si l'on définit la suite $\\left(x_{n}\\right)$ par $x_{0}=2015$, $x_{2 n+1}=P\\left(x_{2 n}\\right)$ et $x_{2 n+2}=Q\\left(x_{2 n+1}\\right)$ pour tout $n \\geqslant 0$, alors tout entier $m>0$ divise au moins un terme non nul de la suite.",
"options": [],
"answer": "(P(X), Q(X)) = (ε X + b, ε X + d) with ε ∈ {+1, −1} and integers b, d, such that either b + ε d divides 2015 or d + ε b divides ε·2015 + b.",
"solution": "Solution:\n\nSoit $P$ et $Q$ deux tels polynômes.\nOn dira qu'une suite $\\left(y_{n}\\right)$ d'entiers possède la propriété D si tout entier $m>0$ divise au moins un terme non nul de cette suite. On dira qu'un polynôme $T$ à coefficients entiers possède la propriété D s'il existe un entier $a$ tel que la suite $\\left(x_{n}\\right)$ définie par $x_{0}=a$ et $x_{n+1}=T\\left(x_{n}\\right)$ possède la propriété D.\n\nNous débutons maintenant par trois lemmes.\n\nLemme 1. Soit $(x_{n})$ une suite d'entiers et soit $k$ un entier naturel non nul. Alors $(x_{n})$ possède la propriété D si et seulement si l'une des $k$ suites $\\left(x_{k n}\\right),\\left(x_{k n+1}\\right), \\ldots,\\left(x_{k n+k-1}\\right)$ possède la propriété D.\n\nPreuve du lemme 1. Supposons d'abord qu'aucune des $k$ suites $\\left(x_{k n}\\right),\\left(x_{k n+1}\\right), \\ldots,\\left(x_{k n+k-1}\\right)$ ne possède la propriété $D$. Alors, pour chaque entier $\\ell \\in\\{0,1, \\ldots, k-1\\}$, il existe un entier $M_{\\ell}$ qui ne divise aucun terme non nul de la suite $(x_{k n+\\ell})$. En particulier, l'entier $\\prod_{\\ell=0}^{k-1} M_{\\ell}$ ne peut donc diviser aucun terme non nul de la suite $\\left(x_{n}\\right)$, qui ne peut posséder la propriété D non plus.\n\nRéciproquement, si une suite $\\left(x_{k n+\\ell}\\right)$ a la propriété $D$, alors clairement $\\left(x_{n}\\right)$ a la propriété $D$ aussi.\n\nLemme 2. Soit $T$ un polynôme à coefficients entiers, de degré $d$ et de coefficient dominant $\\rho$. Si $T$ possède la propriété D, alors $d=1$ et $|\\rho|<4$.\n\nPreuve du lemme 2. Si $T$ est constant, la suite $(x_{n})$ ne prend qu'un nombre fini de valeurs distinctes, ce qui lui interdit d'avoir la propriété D. Procédons maintenant par l'absurde, et supposons que $d \\geqslant 2$ ou que $d=1$ et $|\\rho| \\geqslant 4$. Il existe alors un réel $c>0$ tel que\n$$\n|T(x)|>3|x| \\text{ pour tout } x \\text{ tel que }|x|>c. \\tag{1}\n$$\nOn note qu'il n'existe qu'un nombre fini d'entiers dans $[-c; c]$ et que chacun d'eux ne peut être atteint qu'un nombre fini de fois par $T$. Ainsi, il existe un entier $N \\geqslant 0$ tel que $|x_{N}|>c$. Une récurrence immédiate à l'aide de (1) montre qu'alors $|x_{i}|>c$ pour tout $i \\geqslant N$.\n\nDe plus, sans perte de généralité, on peut choisir $N$ minimal ayant cette propriété. On a donc\n$$\n|x_{i}| \\leqslant c \\text{ pour tout } i l \\geq 0$, on a\n$$\n\\frac{p^{2^{k}}+1}{2}=\\frac{p^{2^{l}}+1}{2}\\left(p^{2^{k}-2^{l}}-p^{2^{k}-2 \\cdot 2^{l}}+\\cdots-p^{2 \\cdot 2^{l}}+p^{2^{l}}-1\\right)+1.\n$$\nDonc les $\\frac{p^{2^{k}}+1}{2}$, $k \\in \\mathbb{N}$, sont deux à deux premiers entre eux. Cela implique que les $P\\left(\\frac{p^{2^{k}}+1}{2}\\right)=P\\left(p^{2^{k}}+1\\right)$ sont des entiers distincts. En particulier, on peut trouver $k$ tel que $P\\left(p^{2^{k}}+1\\right) \\geq p=P\\left(p^{2^{k}}\\right)$. Soit $k_{p}$ le plus petit $k \\geq 0$ vérifiant cette propriété. On choisit $n=p^{2^{k_{p}}}$.\n\nOn voit que $P(n+1) \\geq P(n)$, or $n$ et $n+1$ sont premiers entre eux, donc $P(n+1)>P(n)$. Il reste à montrer que $P(n-1) x'+y'$, donc il n'y a pas de solution. On trouve ainsi une unique solution : $x'=y'=2$, soit $x=y=4034$. On vérifie que cela satisfait bien l'équation de départ.\n\nSi $2017 \\mid x'-1$, on écrit $x'=2017 k+1$ avec $k \\in \\mathbb{N}$. On obtient alors $2017 k+1=y k$, soit $(y-2017) k=1$. Ceci implique que $k=1$ et donc que $y-2017=1$. Ainsi, $y=2018$ et $x=2017 \\times 2018$. On vérifie que cela satisfait l'équation initiale.\n\nConclusion : il y a trois solutions, à savoir les couples d'entiers $(4034,4034)$, $(2017 \\times 2018,2018)$ et $(2018,2017 \\times 2018)$. En effet, $x$ et $y$ jouant le même rôle, le deuxième cas que nous avons traité donne deux solutions.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30601,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $ABC$ un triangle acutangle, et soit $P$ un point situé à l'intérieur du triangle $ABC$. Soit $D$ le milieu du segment $[PC]$, $E$ le point d'intersection des droites $(AP)$ et $(BC)$, et $Q$ le point d'intersection des droites $(BP)$ et $(DE)$. Montrer que, si les angles $\\widehat{PAC}$ et $\\widehat{PCB}$ sont égaux, alors $\\sin (\\widehat{BCQ}) = \\sin (\\widehat{BAP})$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $R$ le point d'intersection des droites $(CQ)$ et $(AP)$. Il suffit de prouver l'égalité des angles de droites $(CB, CQ) = (AB, AR)$. Pour ce faire, il suffit de prouver que les points $B, C, A, R$ sont cocycliques, c'est-à-dire que $(BR, BC) = (AR, RC)$. Comme $(AR, AC) = (CP, CB)$, il suffit de prouver que $(BR, BC) = (CP, CB)$, donc que les droites $(BR)$ et $(PC)$ sont parallèles.\n\nPour ce dernier point, on peut utiliser que si $X = (CP) \\cap (BR)$ alors $(X, D, P, C)$ est une division harmonique. On peut également se passer de géométrie projective comme suit :\n\nOn utilise le théorème de Ceva dans le triangle $PCE$, puisque les droites $(PB), (DE)$ et $(RC)$ sont concourantes en $Q$, avec $R \\in (PE)$ et $B \\in (CE)$. On en déduit que\n$$\n1 = \\frac{CB}{EB} \\cdot \\frac{PD}{CD} \\cdot \\frac{RE}{RP} = \\frac{CB}{EB} \\cdot \\frac{RE}{RP}\n$$\nc'est-à-dire\n$$\n\\frac{RE}{EB} = \\frac{RP}{CB}\n$$\nEn appliquant la réciproque du théorème de Thalès aux triangles $BRE$ et $CPE$, on déduit de cette dernière égalité que les droites $(BR)$ et $(PC)$ sont bien parallèles, ce qui conclut.\n\n",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30602,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver la somme des $n$ tels que $n^{2}+8 n+44$ soit un carré parfait.",
"options": [],
"answer": "2",
"solution": "Solution:\n\nSoit $f$ la fonction étudiée, une idée dans ce genre d'exercice est de coincer $f(n)$ entre 2 carrés d'entiers consécutifs $k^{2} 1$). So $f\\left(p^{a}\\right)=p^{b}$ for some $b \\geq 1$, and (i) yields $p^{a}=d\\left(f\\left(p^{a}\\right)\\right)=d\\left(p^{b}\\right)=b+1$. Hence $f\\left(p^{a}\\right)=p^{p^{a}-1}$, as needed.\n\nLet us finally show that (1) is true for a general $n>1$ with prime factorization $n=p_{1}^{a_{1}} \\cdots p_{k}^{a_{k}}$. We saw that the prime factorization of $f(n)$ has the form $f(n)=p_{1}^{b_{1}} \\cdots p_{k}^{b_{k}}$. For $i=1, \\ldots, k$, set $x=p_{i}^{a_{i}}$ and $y=n / x$ in (ii) to infer that $f(n)$ divides $\\left(p_{i}^{a_{i}}-1\\right) y^{n-1} f\\left(p_{i}^{a_{i}}\\right)$. Hence $p_{i}^{b_{i}}$ divides $\\left(p_{i}^{a_{i}}-1\\right) y^{n-1} f\\left(p_{i}^{a_{i}}\\right)$, and because $p_{i}^{b_{i}}$ is coprime to $\\left(p_{i}^{a_{i}}-1\\right) y^{n-1}$, it follows that $p_{i}^{b_{i}}$ divides $f\\left(p_{i}^{a_{i}}\\right)=p_{i}^{p_{i}^{a_{i}}-1}$. So $b_{i} \\leq p_{i}^{a_{i}}-1$ for all $i=1, \\ldots, k$. Combined with (i), these conclusions imply\n$$\np_{1}^{a_{1}} \\cdots p_{k}^{a_{k}}=n=d(f(n))=d\\left(p_{1}^{b_{1}} \\cdots p_{k}^{b_{k}}\\right)=\\left(b_{1}+1\\right) \\cdots\\left(b_{k}+1\\right) \\leq p_{1}^{a_{1}} \\cdots p_{k}^{a_{k}}\n$$\nHence all inequalities $b_{i} \\leq p_{i}^{a_{i}}-1$ must be equalities, $i=1, \\ldots, k$, implying that (1) holds true. The proof is complete.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31897,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $a$, $b$, $c$ be positive real numbers such that $\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c} = a + b + c$. Prove that\n$$\n\\frac{1}{(2a + b + c)^2} + \\frac{1}{(2b + c + a)^2} + \\frac{1}{(2c + a + b)^2} \\leq \\frac{3}{16}\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "For positive real numbers $x$, $y$, $z$, from the arithmetic-geometric-mean inequality,\n$$\n2x + y + z = (x + y) + (x + z) \\geq 2 \\sqrt{(x + y)(x + z)}\n$$\nwe obtain\n$$\n\\frac{1}{(2x + y + z)^2} \\leq \\frac{1}{4(x + y)(x + z)}\n$$\nApplying this to the left-hand side terms of the inequality to prove, we get\n$$\n\\begin{align*}\n\\frac{1}{(2a + b + c)^2} &+ \\frac{1}{(2b + c + a)^2} + \\frac{1}{(2c + a + b)^2} \\\\\n&\\leq \\frac{1}{4(a + b)(a + c)} + \\frac{1}{4(b + c)(b + a)} + \\frac{1}{4(c + a)(c + b)} \\\\\n&= \\frac{(b + c) + (c + a) + (a + b)}{4(a + b)(b + c)(c + a)} = \\frac{a + b + c}{2(a + b)(b + c)(c + a)} \\tag{1}\n\\end{align*}\n$$\nA second application of the inequality of the arithmetic-geometric mean yields\n$$\na^2 b + a^2 c + b^2 a + b^2 c + c^2 a + c^2 b \\geq 6abc\n$$\nor, equivalently,\n$$\n\\begin{equation*}\n9(a + b)(b + c)(c + a) \\geq 8(a + b + c)(ab + bc + ca) \\tag{2}\n\\end{equation*}\n$$\nThe supposition $\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c} = a + b + c$ can be written as\n$$\n\\begin{equation*}\nab + bc + ca = abc(a + b + c) . \\tag{3}\n\\end{equation*}\n$$\nApplying the arithmetic-geometric-mean inequality $x^2 y^2 + x^2 z^2 \\geq 2x^2 y z$ thrice, we get\n$$\na^2 b^2 + b^2 c^2 + c^2 a^2 \\geq a^2 b c + a b^2 c + a b c^2\n$$\nwhich is equivalent to\n$$\n\\begin{equation*}\n(ab + bc + ca)^2 \\geq 3abc(a + b + c) \\tag{4}\n\\end{equation*}\n$$\nCombining (1), (2), (3), and (4), we will finish the proof:\n$$\n\\begin{aligned}\n\\frac{a + b + c}{2(a + b)(b + c)(c + a)} &= \\frac{(a + b + c)(ab + bc + ca)}{2(a + b)(b + c)(c + a)} \\cdot \\frac{ab + bc + ca}{abc(a + b + c)} \\cdot \\frac{abc(a + b + c)}{(ab + bc + ca)^2} \\\\\n&\\leq \\frac{9}{2 \\cdot 8} \\cdot 1 \\cdot \\frac{1}{3} = \\frac{3}{16}\n\\end{aligned}\n$$\nEquivalently, we prove the homogenized inequality\n$$\n\\frac{(a + b + c)^2}{(2a + b + c)^2} + \\frac{(a + b + c)^2}{(a + 2b + c)^2} + \\frac{(a + b + c)^2}{(a + b + 2c)^2} \\leq \\frac{3}{16}(a + b + c)\\left(\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}\\right)\n$$\nfor all positive real numbers $a$, $b$, $c$. Without loss of generality we choose $a + b + c = 1$. Thus, the problem is equivalent to prove for all $a$, $b$, $c > 0$, fulfilling this condition, the inequality\n$$\n\\begin{equation*}\n\\frac{1}{(1 + a)^2} + \\frac{1}{(1 + b)^2} + \\frac{1}{(1 + c)^2} \\leq \\frac{3}{16}\\left(\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}\\right) \\tag{5}\n\\end{equation*}\n$$\nApplying Jensen's inequality to the function $f(x) = \\frac{x}{(1 + x)^2}$, which is concave for $0 \\leq x \\leq 2$ and increasing for $0 \\leq x \\leq 1$, we obtain\n$$\n\\alpha \\frac{a}{(1 + a)^2} + \\beta \\frac{b}{(1 + b)^2} + \\gamma \\frac{c}{(1 + c)^2} \\leq (\\alpha + \\beta + \\gamma) \\frac{A}{(1 + A)^2}, \\quad \\text{ where } \\quad A = \\frac{\\alpha a + \\beta b + \\gamma c}{\\alpha + \\beta + \\gamma} .\n$$\nChoosing $\\alpha = \\frac{1}{a}$, $\\beta = \\frac{1}{b}$, and $\\gamma = \\frac{1}{c}$, we can apply the harmonic-arithmetic-mean inequality\n$$\nA = \\frac{3}{\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}} \\leq \\frac{a + b + c}{3} = \\frac{1}{3} < 1\n$$\nFinally we prove (5):\n$$\n\\begin{aligned}\n\\frac{1}{(1 + a)^2} + \\frac{1}{(1 + b)^2} + \\frac{1}{(1 + c)^2} &\\leq \\left(\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}\\right) \\frac{A}{(1 + A)^2} \\\\\n&\\leq \\left(\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}\\right) \\frac{\\frac{1}{3}}{\\left(1 + \\frac{1}{3}\\right)^2} = \\frac{3}{16}\\left(\\frac{1}{a} + \\frac{1}{b} + \\frac{1}{c}\\right)\n\\end{aligned}",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31898,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $f$ be any function that maps the set of real numbers into the set of real numbers. Prove that there exist real numbers $x$ and $y$ such that\n$$\nf(x-f(y))>y f(x)+x .\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Assume that\n$$\nf(x-f(y)) \\leq y f(x)+x \\quad \\text{ for all real } x, y . \\tag{1}\n$$\nLet $a=f(0)$. Setting $y=0$ in (1) gives $f(x-a) \\leq x$ for all real $x$ and, equivalently,\n$$\nf(y) \\leq y+a \\quad \\text{ for all real } y . \\tag{2}\n$$\nSetting $x=f(y)$ in (1) yields in view of (2)\n$$\na=f(0) \\leq y f(f(y))+f(y) \\leq y f(f(y))+y+a .\n$$\nThis implies $0 \\leq y(f(f(y))+1)$ and thus\n$$\nf(f(y)) \\geq -1 \\quad \\text{ for all } y>0 . \\tag{3}\n$$\nFrom (2) and (3) we obtain $-1 \\leq f(f(y)) \\leq f(y)+a$ for all $y>0$, so\n$$\nf(y) \\geq -a-1 \\quad \\text{ for all } y>0 \\tag{4}\n$$\nNow we show that\n$$\nf(x) \\leq 0 \\quad \\text{ for all real } x . \\tag{5}\n$$\nAssume the contrary, i.e. there is some $x$ such that $f(x)>0$. Take any $y$ such that\n$$\ny |f(n)-n|$. It follows that $f$ is the identity function.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31981,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Determine whether there exists an infinite sequence of nonzero digits $a_{1}, a_{2}, a_{3}, \\ldots$ and a positive integer $N$ such that for every integer $k > N$, the number $\\overline{a_{k} a_{k-1} \\ldots a_{1}}$ is a perfect square.",
"options": [],
"answer": "No",
"solution": "Answer. No.\n\nAssume that $a_{1}, a_{2}, a_{3}, \\ldots$ is such a sequence. For each positive integer $k$, let $y_{k}= \\overline{a_{k} a_{k-1} \\ldots a_{1}}$. By the assumption, for each $k > N$ there exists a positive integer $x_{k}$ such that $y_{k}=x_{k}^{2}$.\n\nI. For every $n$, let $5^{\\gamma_{n}}$ be the greatest power of $5$ dividing $x_{n}$. Let us show first that $2 \\gamma_{n} \\geqslant n$ for every positive integer $n > N$.\n\nAssume, to the contrary, that there exists a positive integer $n > N$ such that $2 \\gamma_{n} < n$, which yields\n$$\ny_{n+1}=\\overline{a_{n+1} a_{n} \\ldots a_{1}}=10^{n} a_{n+1}+\\overline{a_{n} a_{n-1} \\ldots a_{1}}=10^{n} a_{n+1}+y_{n}=5^{2 \\gamma_{n}}\\left(2^{n} 5^{n-2 \\gamma_{n}} a_{n+1}+\\frac{y_{n}}{5^{2 \\gamma_{n}}}\\right) .\n$$\nSince $5 \\nmid y_{n} / 5^{2 \\gamma_{n}}$, we obtain $\\gamma_{n+1}=\\gamma_{n} Q\\left(p^{+}\\right)$. Then, like in Step 1, we have $R\\left(p^{-}\\right) \\leqslant 0, R\\left(p^{+}\\right)>0$, and $R(i k) \\leqslant 0$, so $R(x)$ has a root in each of the intervals $\\left[p^{-}, p^{+}\\right)$ and $\\left(p^{+}, i k\\right]$. This contradicts the result of Step 1.\n\nWe are left only with the case $p^{-} \\ell_{j}>r_{i}$.\nClearly, there is no town which can sweep $T_{n}$ away from the right. Then we may choose the leftmost town $T_{k}$ which cannot be swept away from the right. One can observe now that no town $T_{i}$ with $i>k$ may sweep away some town $T_{j}$ with $j 0$) tels que $2n+1 = a^{2}$ et $3n+1 = b^{2}$. Ici, il s'agit de remarquer que $5n+3 = 4 \\times (2n+1) - (3n+1) = 4a^{2} - b^{2}$.\n\nPour trouver cette identité, on essaie d'exprimer $5$ à partir de $2$ et $3$ : il est naturel de prendre $5 = 2 + 3$ mais cela ne donne pas $5n+3$, en revanche on voit que $5 = 4 \\times 2 - 3$.\n\nOn peut donc écrire $5n+3 = (2a-b)(2a+b)$. Comme $a, b > 0$, $2a+b > 2a-b$, et $2a+b > 0$. Ceci force $2a-b > 0$ (sinon on aurait $5n+3 \\leqslant 0$, ce qui est exclu). Il suffit donc de montrer que $2a-b > 1$ pour conclure : on aura alors écrit $5n+3$ comme produit de deux entiers strictement plus grands que $1$, et il ne pourra pas être premier.\n\nMais si $2a = b+1$, $5n+3 = 2a+b = 4a-1$ donc $a^{2} = 2n+1 \\leqslant \\frac{5n+3}{2} < \\frac{4a-1}{2} < 2a$ donc $a < 2$. Mais $a=1$ donne $2n+1=1$ donc $n=0$, absurde car $n>0$. Ainsi $2a-b \\neq 1$.\n\nOn a donc bien montré que si $2n+1$ et $3n+1$ sont des carrés parfaits (avec $n \\in \\mathbb{N}^{\\star}$), alors $5n+3$ n'est pas un nombre premier.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30900,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $A, B, C, D$ quatre points situés dans cet ordre sur un cercle $\\omega$. Soit $P$ et $Q$ deux points situés sur la droite $(A B)$, de sorte que les points $Q, A, B, P$ soient alignés dans cet ordre, que le cercle circonscrit à $A D Q$ soit tangent à la droite $(A C)$, et que le cercle circonscrit à $B C P$ soit tangent à la droite $(B D)$. Soit $M$ et $N$ les milieux respectifs des segments $[B C]$ et $[A D]$.\n\nDémontrer que la tangente en $A$ au cercle circonscrit à $A N Q$, la tangente en $B$ au cercle circonscrit à $B M P$ et la droite $(C D)$ sont concourantes.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nSoit $X$ le point d'intersection éventuel dont on doit démontrer l'existence : nous allons en chercher des caractérisations alternatives. Pour ce faire, et au vu des nombreuses relations de tangence et de cocyclicité dont on dispose, une chasse aux angles s'impose.\n\nPar exemple, $(A Q, A D) = (A B, A D) = (C B, C D)$ et $(Q A, Q D) = (A C, A D) = (B C, B D)$. Il existe donc une similitude directe qui envoie $A Q D$ sur $C B D$. Celle-ci envoie également $N$ sur le milieu de $[C D]$, que l'on notera $R$. Mais alors\n$$\n(A B, A X) = (A Q, A X) = (N Q, N A) = (R B, R C) = (R B, R X)\n$$\nce qui signifie que les points $A, B, X$ et $R$ sont cocycliques.\n\nOn définit donc le point $\\hat{X}$ comme étant le second point d'intersection du cercle circonscrit à $A B R$ avec la droite $(C D)$, et en reprenant le calcul précédent, on remarque que\n$$\n(A Q, A \\hat{X}) = (A B, A \\hat{X}) = (R B, R \\hat{X}) = (R B, R C) = (N Q, N A)\n$$\nce qui signifie comme prévu que la droite $(A \\hat{X})$ est tangente au cercle circonscrit à $A N Q$. On démontre de même que $(B \\hat{X})$ est tangente au cercle circonscrit à $B M P$, ce qui conclut.\n\n\nSolution alternative $n^{\\circ} 1$\n\nUne fois n'est pas coutume, on peut utiliser brutalement des coordonnées cartésiennes. On identifie chaque point à ses coordonnées, puis on note $O$ et $O_{2}$ les centres des cercles circonscrits à $Q A D$ et à $Q A N$. On choisit en outre le repère de sorte que $A = (0, 0)$ et $B = (1, 0)$, puis on pose $C = (x, y)$ et $D = (u, v)$, $O = (s, t)$ et $O_{2} = (s_{2}, t_{2})$. Ainsi, $N = (u / 2, v / 2)$, $Q = (2s, 0)$ et $s_{2} = s$.\n\nLes égalités $O C^{2} = O A^{2} + A C^{2}$ et $O A^{2} = O D^{2}$ se réécrivent comme $s x + t y = 0$ et $2(s u + t v) = u^{2} + v^{2}$, de sorte que\n$$\ns = \\frac{u^{2} + v^{2}}{2 \\delta} y\n$$\noù l'on a posé $\\delta = u y - v x$. De même, l'égalité $O_{2} A^{2} = O_{2} N^{2}$ se réécrit comme $4(u s + v t_{2}) = u^{2} + v^{2}$, de sorte que\n$$\nt_{2} = \\frac{u^{2} + v^{2} - 4 u s}{4 v} .\n$$\nPar ailleurs, notons $Z = (z, w)$ le point de $(C D)$ pour lequel $(A Z)$ est tangente au cercle circonscrit à $A Q N$. L'alignement de $Z$ avec $C$ et $D$ indique qu'il existe un réel $\\lambda$ tel que $Z = \\lambda C + (1 - \\lambda) D$; l'orthogonalité de $(A X)$ avec $\\left(A O_{2}\\right)$ indique que $\\overrightarrow{A O_{2}} \\cdot \\overrightarrow{A Z} = s z + t_{2} w = 0$. On en déduit que $s(\\lambda x + u - \\lambda u) + t_{2}(\\lambda y + v - \\lambda v) = 0$, c'est-à-dire\n$$\n\\begin{aligned}\n\\lambda & = \\frac{s u + t_{2} v}{s(u - x) + t_{2}(v - y)} \\\\\n& = \\frac{4 s u v + (u^{2} + v^{2} - 4 u s) v}{4 s(u - x) v + (u^{2} + v^{2} - 4 u s)(v - y)} \\\\\n& = \\frac{(u^{2} + v^{2}) v}{(u^{2} + v^{2})(v - y) + 4(u y - v x) s} \\\\\n& = \\frac{(u^{2} + v^{2}) v}{(u^{2} + v^{2})(v - y) + 2(u^{2} + v^{2}) y} \\\\\n& = \\frac{v}{v + y} .\n\\end{aligned}\n$$\n\nPour des raisons de symétrie, le point $Z'$ de $(C D)$ pour lequel $\\left(B Z'\\right)$ est tangente au cercle circonscrit à $B P M$ est lui aussi décrit par la relation $Z' = \\mu D + (1 - \\mu) C$, avec $\\mu = y / (v + y)$. Mais alors $\\lambda + \\mu = 1$, ce qui signifie comme prévu que $Z = Z'$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30901,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nAu moins $n\\left(\\sqrt{n}+\\frac{1}{2}\\right)$ carrés d'un échiquier $n \\times n$ ont été marqués. Montrer qu'il existe quatre cases marquées qui forment les coins d'un rectangle.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nOn essaye d'utiliser le principe des tiroirs. S'il y a deux cases marquées aux coordonnées $(i, j)$ et $(i, k)$, on met une chaussette dans le tiroir étiqueté $(j, k)$. Il y a $\\frac{n(n-1)}{2}$ tiroirs possibles. S'il y a deux chaussettes dans le même tiroir $(j, k)$, c'est qu'il existe $i, i'$ tels que $(i, j),(i, k),(i', j),(i', k)$ sont toutes marquées, et on a bien trouvé quatre cases marquées qui forment les coins d'un rectangle. Il ne reste plus qu'à montrer qu'il y a strictement plus de chaussettes que de tiroirs. On note $d_{i}$ le nombre de cases marquées dans la $i$-ème colonne. On a :\n$$\n\\sum_{i=1}^{n} d_{i} \\geqslant n\\left(\\sqrt{n}+\\frac{1}{2}\\right)\n$$\nLe nombre de chaussettes vaut :\n$$\n\\sum_{i=1}^{n} \\frac{d_{i}^{2}-d_{i}}{2}\n$$\nEn utilisant Cauchy-Schwarz, on a :\n$$\n\\begin{aligned}\n\\sum_{i=1}^{n} \\frac{d_{i}^{2}-d_{i}}{2} & \\geqslant \\frac{1}{2}\\left(\\frac{\\left(\\sum_{i=1}^{n} d_{i}\\right)^{2}}{n}-\\sum_{i=1}^{n} d_{i}\\right) \\\\\n& \\geqslant \\frac{1}{2 n}\\left(n\\left(\\sqrt{n}+\\frac{1}{2}\\right)\\right)\\left(n\\left(\\sqrt{n}+\\frac{1}{2}\\right)-n\\right) \\\\\n& =\\frac{1}{2} n\\left(\\sqrt{n}+\\frac{1}{2}\\right)\\left(\\sqrt{n}-\\frac{1}{2}\\right) \\\\\n& =\\frac{1}{2} n\\left(n-\\frac{1}{4}\\right)\n\\end{aligned}\n$$\nCe qui est effectivement strictement plus grand que le nombre de tiroirs.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30902,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $n \\geqslant 1$ un entier. Morgane dispose initialement de $n$ piles dont chacune contient une pièce. Elle s'autorise ensuite des opérations de la forme suivante : elle choisit deux piles, prélève autant de pièces de la première pile que de la deuxième, et forme une nouvelle pile avec les pièces qu'elle a prélevées.\n\nDéterminer, en fonction de $n$, le plus petit nombre de piles non vides que Morgane pourra obtenir à partir de telles opérations.",
"options": [],
"answer": "The minimal number is 1 if the starting number is a power of two, and 2 otherwise.",
"solution": "Solution:\n\nSi $n$ est une puissance de $2$, Morgane peut se débrouiller pour n'obtenir qu'une seule pile, en procédant comme suit : elle fusionne les $n$ piles de taille $1$ en $n / 2$ piles de taille $2$, puis fusionne ces $n / 2$ piles en $n / 4$ piles de taille $4$, et ainsi de suite.\n\nRéciproquement, lorsque Morgane extrait $k$ pièces de deux piles contenant originellement $a$ et $b$ pièces pour former trois piles (éventuellement vides) de $a-k$, $b-k$ et $2k$ pièces, on constate que $\\operatorname{PGCD}(a-k, b-k, 2k)$ divise $2a$ et $2b$, donc divise $2\\operatorname{PGCD}(a, b)$. Par conséquent, une récurrence immédiate montre que, si Morgane dispose de $k$ piles de tailles $t_{1}, t_{2}, \\ldots, t_{k}$, le nombre $\\operatorname{PGCD}\\left(t_{1}, t_{2}, \\ldots, t_{k}\\right)$ est une puissance de $2$. En particulier, si Morgane parvient à n'avoir plus qu'une seule pile, qui contiendra $n$ pièces, c'est donc que $n$ est une puissance de $2$.\n\nEnfin, voici comment, pour toute valeur de $n$, Morgane peut procéder pour n'obtenir que deux piles. Elle écrit $n$ comme somme de puissances de $2$ croissantes, c'est-à-dire de nombres $2^{a_{1}} < 2^{a_{2}} < \\cdots < 2^{a_{k}}$ tels que $n = 2^{a_{1}} + 2^{a_{2}} + \\cdots + 2^{a_{k}}$. Pour chaque $i \\leqslant k$, et en procédant comme dans le cas où $n$ est une puissance de $2$, Morgane regroupe ensuite $2^{a_{i}}$ de ses pièces en une seule pile, obtenant ainsi $k$ piles.\n\nMorgane distingue alors sa pile de taille $2^{a_{1}}$, qu'elle appelle cible, et sa pile de taille $2^{a_{k}}$, qu'elle appelle réserve. Les $k-2$ autres piles sont vues comme des piles normales. Puis Morgane s'attelle à doubler la taille de sa pile cible tout en s'assurant qu'elle ne sera jamais plus grande qu'une pile normale, en procédant comme suit :\n\n$\\triangleright$ si la pile cible est de même taille qu'une pile normale, Morgane fusionne ces deux piles en une nouvelle pile cible ; une pile normale disparaît au cours de cette opération ;\n\n$\\triangleright$ sinon, la pile cible est de taille $2^{a}$ strictement plus petite que chaque pile normale, et Morgane prélève alors $2^{a}$ pièces de la réserve pour les intégrer à la pile cible, qui est désormais de taille $2^{a+1}$.\n\nAprès $\\ell$ telles étapes, la pile cible est désormais de taille $2^{a_{1}+\\ell}$, et elle a absorbé les piles de tailles $2^{a_{i}} < 2^{a_{1}+\\ell}$, ainsi qu'au plus $2^{a_{k-1}}$ pièces issues de la réserve, qui n'est donc toujours pas vide. Ainsi, après $a_{k-1}+1-a_{1}$ étapes, la pile cible est désormais de taille $2^{a_{k-1}+1}$, et elle a absorbé toutes les piles normales, ce qui fait que l'on n'a plus que deux piles.\n\nEn conclusion, le nombre minimal de piles auquel pourra aboutir Morgane vaut $1$ si $n$ est une puissance de $2$, et il vaut $2$ sinon.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30903,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nEst-il possible de trouver un bloc de 1000 nombres entiers strictement positifs consécutifs qui contient exactement 5 nombres premiers?",
"options": [],
"answer": "Yes",
"solution": "Solution:\n\nA première vue, il semble difficile de garantir exactement 5 nombre premier dans un bloc de 1000 entiers consécutifs : aucun théorème d'arithmétique élémentaire permet de s'assurer d'avoir des nombres premiers rapprochés, mais pas d'autres nombres premier entre eux. On peut donc essayer de se demander combien de nombres premiers on peut trouver dans un bloc de 1000 nombres consécutifs.\n\nDéjà, il est relativement connu qu'on peut trouver 1000 nombres consécutifs dont aucun n'est premier. En effet, $1001!+2, \\ldots, 1001!+1001$ ne sont pas premiers : si $2 \\leqslant i \\leqslant 1001, 1001!+i$ est divisible par $i$ et strictement plus grand que $i$, donc il n'est pas premier.\n\nOn peut aussi remarquer qu'entre 1 et 1000 il y a beaucoup de nombres premiers : en tout cas strictement plus que 5, vu que $2, 3, 5, 7, 11, 13$ sont premiers.\n\nNotons $P(n)$ le nombre de nombres premiers dans l'ensemble $\\{n, \\ldots, n+999\\}$. L'étape naturelle après nos deux remarques précédentes est de se demander comment évolue le nombre $P(n)$ lorsque $n$ parcourt $\\mathbb{N}^*$. Pour passer de $\\{n, \\ldots, n+999\\}$ à $\\{n+1, \\ldots, n+1+999\\}$, on rajoute $n+1000$ et on enlève $n$. Ainsi on ajoute au plus un nombre premier, et on enlève au plus un nombre premier : on a donc\n$$\nP(n+1) - P(n) \\in \\{-1, 0, 1\\}\n$$\nAinsi $P$ ne varie que de 1 en 1, et on sait que $P(1) > 5 > P(1001!+2)$. Il semble assez intuitif que cela implique qu'il existe un entier $k$ tel que $P(k) = 5$, nous allons prouver cela.\n\nSoit $k$ le premier entier tel que $P(k) \\leqslant 5$. On sait que $k > 1$, donc $P(k-1) > 5$ par minimalité. Ainsi, on a forcément $P(k) = P(k-1) - 1$ (pour avoir $P(k) \\leqslant 5$), donc $P(k) > 4$. Ainsi $P(k) \\geqslant 5$, or par définition $P(k) \\leqslant 5$, donc $P(k) = 5$.\n\nAinsi la réponse à l'énoncé est oui : il existe bien un bloc de 1000 entiers consécutifs avec exactement cinq entiers premiers.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30904,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $a \\geqslant 2$ et $d \\geqslant 2$ deux entiers premiers entre eux. On pose $x_{1}=1$; puis, pour tout entier $k \\geqslant 1$, on pose $x_{k+1}=x_{k} / a$ si $a$ divise $x_{k}$, et $x_{k+1}=x_{k}+d$ sinon.\nTrouver, en fonction de $a$ et de $d$, l'entier $\\ell$ maximal pour lequel $a^{\\ell}$ divise l'un des termes $x_{1}, x_{2}, x_{3}, \\ldots$",
"options": [],
"answer": "ℓ = ⌊log_a d⌋ + 1 (equivalently, ℓ is the unique integer satisfying d < a^ℓ < a d)",
"solution": "Solution:\n\nPour tout entier $n \\geqslant 1$, soit $f(n)$ le plus petit entier tel que $a f(n) \\geqslant n$ et $a f(n) \\equiv n \\pmod{d}$, et soit $\\delta(n)=(a f(n)-n) / d$. Par construction, si l'on dispose d'un terme $x_{k}=n$ de la suite, les termes suivants de la suite seront $x_{k+1}=n+d, x_{k+2}=n+2 d, \\ldots$, $x_{k+\\delta(n)}=n+\\delta(n) d=a f(n)$, puis $x_{k+\\delta(n)+1}=f(n)$.\n\nEn outre, aucun des termes $x_{k+1}, \\ldots, x_{k+\\delta(n)-1}$ n'est divisible par $a$, mais $x_{k+\\delta(n)}=a f(n)$ l'est. Par conséquent, si l'on pose $y_{0}=1$ puis $y_{k+1}=f\\left(y_{k}\\right)$ pour tout $k \\geqslant 0$, il s'agit de trouver l'entier $\\ell$ maximal pour lequel $a^{\\ell-1}$ divise l'un des termes $y_{1}, y_{2}, y_{3}, \\ldots$\n\nOr, par construction, on sait que $\\delta(n) \\leqslant a-1$. Par conséquent, si $n \\leqslant d$, on sait également que $f(n) \\leqslant (n+(a-1) d) / a \\leqslant d$. Une récurrence immédiate démontre donc que $1 \\leqslant y_{k} \\leqslant d$ pour tout entier $k \\geqslant 0$.\n\nEnfin, on remarque que $f(n) \\equiv n / a \\pmod{d}$, ce qui signifie, pour tout entier $k \\geqslant 0$, que $y_{k}$ est l'unique entier compris entre 1 et $d$ et tel que $y_{k} \\equiv a^{-k} \\pmod{d}$. En particulier, si l'on note $\\omega$ l'ordre multiplicatif de $a$ modulo $d$, et si l'on pose $\\kappa=\\left\\lfloor\\log _{a}(d)\\right\\rfloor$, on sait que $y_{\\omega-\\kappa}=a^{\\kappa}$. Réciproquement, puisque $a^{\\kappa+1}>d$, nul terme $y_{k}$ n'est divisible par $a^{\\kappa+1}$.\n\nOn en conclut que $\\ell=\\kappa+1$, c'est-à-dire que $\\ell$ est l'unique entier pour lequel $dp^{3}\\left(p^{2}+1\\right)$, absurde. Ainsi $p^{3} \\mid q+1$, et donc $q-2 \\mid p^{2}+1$.\n\nMais les divisibilités qu'on vient d'obtenir montrent que $p^{3} \\leqslant q+1=(q-2)+3 \\leqslant p^{2}+1+3=p^{2}+4$, et donc $p^{2}(p-1) \\leqslant 4$. Or $p^{2}(p-1)$ est strictement croissante en $p$, et en $p=2$ on a égalité, donc le seul cas possible est $p=2$ (autrement dit, pour $p>2$, on a $p^{2}(p-1)>4$ ).\n\nLorsque $p=2$, l'équation devient $q^{2}-q-2=40$, en résolvant on trouve $q=7$ (qui convient car 7 est premier) et $q=-6$ (qui ne convient pas car n'est pas un nombre premier).\n\nFinalement, il y a deux solutions qui sont $(\\mathbf{p}, \\mathbf{q})=(2,7)$ et $(\\mathbf{p}, \\mathbf{q})=(3,17)$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30907,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoient $ABC$ un triangle isocèle en $A$, $O$ le centre de son cercle circonscrit et $I$ le centre de son cercle inscrit. La parallèle à $(AB)$ passant par $I$ coupe $(AC)$ en $D$. Montrer que $(CI)$ et $(DO)$ sont perpendiculaires.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\n\n\nPremièrement, comme $AB = AC$, $A$, $O$, $I$ sont alignés et la droite $(AI)$ coupe $[BC]$ en son milieu $M$. On pose $P$ l'intersection des droites $(DO)$ et $(CI)$.\n\nPar chasse aux angles, on montre que $I$, $O$, $D$, $C$ sont cocycliques, en montrant que $\\widehat{IOC} = \\widehat{IDC}$. En effet :\n$$\n\\begin{aligned}\n\\widehat{IOC} & = \\widehat{MOC} \\\\\n& = \\frac{1}{2} \\widehat{BOC} \\text{ car } OB = OC \\\\\n& = \\widehat{BAC} \\text{ par angle au centre } \\\\\n& = \\widehat{IDC} \\text{ car } (BA) // (ID)\n\\end{aligned}\n$$\nDonc par réciproque du théorème de l'angle inscrit, $I$, $O$, $D$, $C$ sont cocycliques.\n\nMontrons à présent que $\\widehat{CPD} = 90^\\circ$. Pour cela, on va montrer que $\\widehat{PDC} + \\widehat{DCP} = 90^\\circ$ (puisque $\\widehat{CPD} = 180^\\circ - \\widehat{PDC} - \\widehat{DCP}$). On a :\n$$\n\\begin{aligned}\n\\widehat{PDC} + \\widehat{DCP} & = \\widehat{ODC} + \\widehat{DCI} \\\\\n& = \\left(180^\\circ - \\widehat{CIO}\\right) + \\widehat{ICB} \\text{ par cocyclicité et bissectrice } \\\\\n& = \\widehat{CIM} + \\widehat{ICM} \\\\\n& = 90^\\circ \\text{ car } (AI) \\perp (BC).\n\\end{aligned}\n$$\nDonc $\\widehat{CPD} = 90^\\circ$, ce qui prouve bien que les droites $(CI)$ et $(DO)$ sont perpendiculaires.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 30908,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoient $x$, $y$, $z$ des réels strictement positifs tels que $x y + y z + z x = 1$. Montrer que\n$$\n2\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\\right)+\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}+\\frac{1}{y^{2}+1}+\\frac{1}{z^{2}+1}\\right) \\geqslant 5\n$$",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nDans cet exercice, on aimerait bien appliquer l'inégalité arithmético-géométrique de façon à obtenir une minoration du type $\\left(x^{2}+1\\right)+\\frac{1}{x^{2}+1} \\geqslant 2$. Mais si on s'y prend mal, on n'arrive pas à conclure. En effet, on aurait pu s'en douter en étudiant le cas d'égalité de l'équation. Au vu de la condition $x y + y z + z x = 1$, on se doute que l'égalité va se produire pour $x = y = z = \\frac{1}{\\sqrt{3}}$. En introduisant ces valeurs dans l'équation, on trouve bien que l'on a égalité, mais ceci n'est pas un cas d'égalité de l'inégalité arithmético-géométrique plus tôt.\nDans le cas d'égalité $x = y = z = \\frac{1}{\\sqrt{3}}$, on a $x^{2} + 1 = \\frac{4}{3}$ et $\\frac{1}{x^{2}+1} = \\frac{3}{4}$. On applique donc l'inégalité arithmético-géométrique avec des coefficients appropriés pour avoir l'égalité des deux termes dans ce cas :\n$$\n\\frac{3}{4}\\left(x^{2}+1\\right)+\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}\\right) \\geqslant 2\n$$\nEn sommant ces trois équations, on a\n$$\n\\frac{3}{4}\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}+3\\right)+\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}+\\frac{1}{y^{2}+1}+\\frac{1}{z^{2}+1}\\right) \\geqslant 6\n$$\nqui donne\n$$\n\\frac{3}{4}\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\\right)+\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}+\\frac{1}{y^{2}+1}+\\frac{1}{z^{2}+1}\\right) \\geqslant \\frac{15}{4}\n$$\nPar rapport à l'inégalité de l'énoncé, il nous reste un terme $\\frac{5}{4}\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\\right)$ à minorer. Mais on a, par l'inégalité arithmético-géométrique,\n$$\n\\frac{5}{4}\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\\right) \\geqslant \\frac{5}{4}(x y + y z + z x) = \\frac{5}{4}\n$$\nEn ajoutant cette inégalité à l'inégalité obtenue précédemment, on obtient bien\n$$\n2\\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\\right)+\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}+\\frac{1}{y^{2}+1}+\\frac{1}{z^{2}+1}\\right) \\geqslant \\frac{15}{4}+\\frac{5}{4}=5\n$$\nSolution:\n\nPosons $s = x^{2} + y^{2} + z^{2}$. Notons que par l'inégalité des mauvais élèves,\n$$\n\\frac{4}{3}\\left(\\frac{1}{x^{2}+1}+\\frac{1}{y^{2}+1}+\\frac{1}{z^{2}+1}\\right) \\geqslant \\frac{4}{3} \\frac{(1+1+1)^{2}}{x^{2}+y^{2}+z^{2}+3} = \\frac{12}{s+3}\n$$\nAinsi il suffit de montrer que $2s + \\frac{12}{s+3} \\geqslant 5$. En multipliant des deux côtés par $s+3$ qui est positif, il suffit de montrer que $2s(s+3) + 12 \\geqslant 5(s+3)$. Ceci est équivalent à $2s^{2} + 6s + 12 \\geqslant 5s + 15$ et donc à $2s^{2} + s \\geqslant 3$. Or par le lemme du tourniquet, $s \\geqslant x y + y z + x z = 1$, donc $2s^{2} + s \\geqslant 3$. On a bien le résultat voulu.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30909,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nLucile a écrit au tableau $s$ 2023-uplets d'entiers. Elle s'autorise alors des opérations de la forme suivante : elle choisit deux 2023-uplets $\\mathbf{u}=\\left(u_{1}, u_{2}, \\ldots, u_{2023}\\right)$ et $\\mathbf{v}=\\left(v_{1}, v_{2}, \\ldots, v_{2023}\\right)$, non nécessairement distincts, parmi ceux qu'elle a déjà écrits, puis elle écrit également au tableau les deux 2023-uplets $\\mathbf{u}+\\mathbf{v}=\\left(u_{1}+v_{1}, \\ldots, u_{2023}+v_{2023}\\right)$ et $\\max (\\mathbf{u}, \\mathbf{v})=\\left(\\max \\left(u_{1}, v_{1}\\right), \\ldots, \\max \\left(u_{2023}, v_{2023}\\right)\\right)$.\nQuelles sont les valeurs de $s$ pour lesquelles, si Lucile choisit judicieusement les $s$ 2023-uplets qu'elle a écrits initialement, et en répétant les opérations ci-dessus, elle pourra écrire n'importe quel 2023-uplet d'entiers?",
"options": [],
"answer": "all integers s ≥ 3",
"solution": "Solution:\n\nTout d'abord, si $s=1$, Lucile a écrit un seul vecteur $\\mathbf{u}$. Tout vecteur $\\mathbf{x}$ qu'elle pourra ensuite écrire aura des coordonnées de même signe que $\\mathbf{u}$, et elle ne pourra donc pas écrire tous les vecteurs possibles.\n\nEnsuite, si $s=2$, soit $\\mathbf{u}$ et $\\mathbf{v}$ les deux vecteurs que Lucile a écrits initialement. Si deux coordonnées $u_{i}$ et $v_{i}$ sont de même signe, tout vecteur $x$ que Lucile écrira ensuite aura aussi une coordonnée de même signe que $u_{i}$ et $v_{i}$. Par conséquent, pour tout entier $i \\leqslant 2023$, les coordonnées $u_{i}$ et $v_{i}$ sont de signes opposés. Quitte à échanger les vecteurs $\\mathbf{u}$ et $\\mathbf{v}$ ainsi que les coordonnées en positions 1 à 3, on suppose donc que $u_{1}$ et $u_{2}$ sont strictement positifs, et que $u_{1} v_{2} \\leqslant u_{2} v_{1}$.\n\nOn montre alors par récurrence que tout vecteur $x$ que Lucile écrira ensuite satisfera également l'inégalité $u_{1} x_{2} \\leqslant u_{2} x_{1}$. En effet, à partir de deux vecteurs $\\mathbf{x}$ et $\\mathbf{y}$ satisfaisant déjà cette inégalité, Lucile peut former deux vecteurs :\n\n$\\triangleright \\mathbf{z}=\\mathbf{x}+\\mathbf{y}$, pour lequel $u_{1} z_{2}=u_{1} x_{2}+u_{1} y_{2} \\leqslant u_{2} x_{1}+u_{2} y_{1}=u_{2} z_{1}$ ;\n\n$\\triangleright \\mathbf{z}=\\max (\\mathbf{x}, \\mathbf{y})$, pour lequel $u_{1} z_{2}=\\max \\left(u_{1} x_{2}, u_{1} y_{2}\\right) \\leqslant \\max \\left(u_{2} x_{1}, u_{2} y_{1}\\right)=u_{2} z_{1}$.\n\nEn particulier, Lucile ne pourra jamais écrire de vecteurs dont les deux premières coordonnées sont 0 et 1.\n\nEnfin, si $s \\geqslant 3$, Lucile peut écrire les vecteurs $\\mathbf{u}, \\mathbf{v}$ et $\\mathbf{w}$ tels que $u_{i}=-1, v_{i}=i$ et $w_{i}=-i^{2}$, puis ajouter $s-3$ vecteurs inutiles. À partir de ces vecteurs, Lucile peut alors créer successivement les vecteurs suivants, l'entier $k$ étant un paramètre que l'on fait librement varier entre 1 et 2023 :\n\n$\\triangleright \\mathbf{a}^{(k)}=\\left(k^{2}-1\\right) \\mathbf{u}+2 k \\mathbf{v}+\\mathbf{w}$, pour lequel $a_{i}^{(k)}=1-k^{2}+2 k i-i^{2}=1-(i-k)^{2}$ ;\n\n$\\triangleright \\mathbf{b}^{(k)}=\\mathbf{a}^{(k)}+\\mathbf{u}$, pour lequel $b_{i}^{(k)}=-(i-k)^{2}$;\n\n$\\triangleright \\mathbf{0}=\\max \\left\\{\\mathbf{b}^{(k)}: 1 \\leqslant k \\leqslant 2023\\right\\}$, pour lequel $\\mathbf{0}_{i}=0$;\n\n$\\triangleright \\mathbf{c}^{(k)}=\\max \\left\\{\\mathbf{a}^{(k)}, \\mathbf{0}\\right\\}$, pour lequel $c_{i}^{(k)}=1$ si $i=k$, et $c_{i}^{(k)}=0$ sinon.\n\nDès lors, Lucile peut écrire tout vecteur $x$, puisqu'elle n'a qu'à l'exprimer comme la somme\n$$\n\\mathbf{x}=|\\mathbf{x}| \\mathbf{u}+\\sum_{k=1}^{2023}\\left(|\\mathbf{x}|+x_{k}\\right) \\mathbf{c}^{(k)}\n$$\nou l'on a posé $|\\mathbf{x}|=1+\\max \\left\\{\\left|x_{k}\\right|: 1 \\leqslant k \\leqslant 2023\\right\\}$.\n\nEn conclusion, les valeurs de $s$ recherchées sont les entiers $s \\geqslant 3$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30910,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nSoit $n \\geqslant 1$ un entier. Morgane écrit au tableau, en base 10, les nombres $2023, 2023 \\times 2, \\ldots, 2023 \\times n$. Pour tout chiffre $c$ compris entre 1 et 9, elle note alors $\\mathrm{d}_{c}(n)$ le nombre d'apparitions du chiffre $c$ sur le tableau. Par exemple, si $n=3$, elle écrit les nombres $2023$, $4046$ et $6069$, donc $\\mathrm{d}_{1}(3)=\\mathrm{d}_{5}(3)=\\mathrm{d}_{7}(3)=\\mathrm{d}_{8}(3)=0$, $\\mathrm{d}_{3}(3)=\\mathrm{d}_{9}(3)=1$, $\\mathrm{d}_{2}(3)=\\mathrm{d}_{4}(3)=2$ et $\\mathrm{d}_{6}(3)=3$; ces neuf nombres prennent donc exactement quatre valeurs.\n\nDémontrer qu'il existe une infinité d'entiers $n \\geqslant 1$ pour lesquels les neuf nombres $\\mathrm{d}_{1}(n), \\mathrm{d}_{2}(n), \\ldots, \\mathrm{d}_{9}(n)$ prennent exactement deux valeurs.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Solution:\n\nSoit $k$ un multiple de $\\varphi(2023)$, soit $\\ell = (10^{k} - 1) / 2023$. Nous allons démontrer que $\\ell$ est une solution. Pour ce faire, on introduit l'ensemble\n$$\n\\Omega = \\{2023 n : 1 \\leqslant n \\leqslant \\ell\\}\n$$\nLes éléments de $\\Omega$ décrivent précisément l'ensemble des résidus modulo $10^{k} - 1$ qui sont des multiples de $2023$, chaque résidu étant obtenu exactement une fois. Par conséquent, l'application $\\phi : x \\mapsto 10x$, qui définit une permutation de $\\mathbb{Z} / (10^{k} - 1) \\mathbb{Z}$, définit aussi une permutation de l'ensemble des résidus qui sont des multiples de $2023$, et induit donc une permutation de $\\Omega$ lui-même. Concrètement, si l'on écrit les éléments de $\\Omega$ en base 10 avec $k$ chiffres (quitte à laisser des 0 en apparence inutiles sur la gauche), $\\phi$ envoie $\\overline{a_{k-1} a_{k-2} \\ldots a_{1} a_{0}}^{10}$ sur $\\overline{a_{k-2} a_{k-3} \\ldots a_{1} a_{0} a_{k-1}}^{10}$.\n\nPour tout chiffre $c$ et tout entier $i$ tel que $0 \\leqslant i \\leqslant k-1$, on note $\\Omega(c, i)$ l'ensemble des éléments de $\\Omega$ dont le chiffre $a_{i}$, de poids $10^{i}$, est égal à $c$; on pose abusivement $\\Omega(c, k) = \\Omega(c, 0)$. Lorsque $0 \\leqslant i \\leqslant k-1$, la bijection $\\phi$ induit une bijection de $\\Omega(c, i)$ vers $\\Omega(c, i+1)$. Ainsi, les ensembles $\\Omega(c, 0), \\Omega(c, 1), \\ldots, \\Omega(c, k-1)$ sont tous de même cardinal, et\n$$\n\\mathrm{d}_{c}(\\ell) = |\\Omega(c, 0)| + |\\Omega(c, 1)| + \\cdots + |\\Omega(c, k-1)| = k |\\Omega(c, 0)|.\n$$\nOr, $\\Omega(c, 0)$ est formé des nombres $2023 n$ pour lesquels $1 \\leqslant n \\leqslant \\ell$ et $c \\equiv 3n \\pmod{10}$. Puisque $\\ell \\equiv -1/3 \\equiv 3 \\pmod{10}$, on en déduit que $|\\Omega(c, 0)|$ vaut $(\\ell + 7)/10$ si $c$ vaut $3, 6$ ou $9$, et vaut $(\\ell - 3)/10$ sinon. Cela signifie que les cardinaux $|\\Omega(c, 0)|$ prennent exactement deux valeurs lorsque $c$ varie de $1$ à $9$, et donc que les entiers $\\mathrm{d}_{c}(\\ell)$ prennent eux aussi deux valeurs.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 30911,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nTrouver tous les entiers $n \\geqslant 2$ pour lesquels il existe un nombre réel $r>0$ et $n$ nombres réels $a_{1}
\n\nBy considering the rows, we need $a + b = 0$ and $c + d = -4$, so $\\{a, b\\} = \\{2, -2\\}$ and $\\{c, d\\} = \\{-1, -3\\}$. By considering the columns, we need $a + c = -1$ and $b + d = -3$. Hence the only possibility is $(a, b, c, d) = (2, -2, -3, -1)$. It remains to check whether these $32$ ways also satisfy the requirement that the two diagonal sums are nonnegative. We start with the following $4$ cases with the position of $-4$ fixed:\n\n1 -4 3 a 0 b c 4 d
\n\n1 -4 3 2 0 -2 -3 4 -1
\n\n1 -4 3 -3 4 -1 2 0 -2
\n\n0 -4 4 2 1 -3 -2 3 -1
\n\nAll cases have both diagonal sums being nonnegative. The other $4$ cases with $-4$ in the same position must therefore also have the same property, since they are obtained by swapping the first and third columns from the $4$ cases above:\n\n0 -4 4 -2 3 -1 2 1 -3
\n\n3 -4 1 -2 0 2 -1 4 -3
\n\n3 -4 1 -1 4 -3 -2 0 2
\n\n4 -4 0 -3 1 2 -1 3 -2
\n\nThe other cases (where the position of $-4$ is different) can be obtained by rotating one of the above configurations. Hence all $32$ ways of filling in the table in which all row and column sums are zero will also have both diagonal sums being nonnegative. It follows that the answer is $32$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31792,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "In a team game, 12 players stand at the 12 vertices of a regular 12-sided polygon. Each player has a red flag and a blue flag, and then randomly put up one flag, all at the same time. If there are four players who put up flags of the same colour and whose positions form a rectangle, the team loses. Otherwise the team wins. What is the probability for the team to win?",
"options": [],
"answer": "29/128",
"solution": "$2^{12} = 4096$ possible outcomes and we want to count how many of these enable the team to win. To do this, we let the 12 players form 6 pairs so that the members of each pair are diametrically opposite. Note that the positions of four players form a rectangle if and only if they form two pairs.\n\nCall a pair 'bad' if the two players put up flags of the same colour. Note that if there are three or more bad pairs, then at least two pairs will both have chosen the same colour, so the team loses. Hence for the team to win, there are three possibilities:\n\n* There is no bad pair — that means for each pair the two players will put up flags of different colours (2 possibilities for each pair), so there are altogether $2^6 = 64$ possibilities for this case.\n\n* There is one bad pair — there are 6 choices for the bad pair, and regardless of whether a pair is good or bad, there are 2 possible combinations of flag colours for each pair. Hence there are $6 \\times 2^6 = 384$ possibilities for this case.\n\n* There are two bad pairs — there are $\\binom{6}{2} = 15$ choices for the bad pairs, and one bad pair must put up red flags and the other bad pair must put up blue flags (otherwise the team loses), giving 2 possibilities. There are 2 possible combinations of flag colours for each of the other 4 pairs, and so there $15 \\times 2 \\times 2^4 = 480$ possibilities for this case.\n\nIt follows that the answer is $\\frac{64 + 384 + 480}{4096} = \\frac{29}{128}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31793,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "$ABCD$ is a square. $P$ is a point inside $ABCD$ such that $\\angle APD + \\angle BPC = 180^\\circ$ and $\\angle BPC$ is acute. If $PB = 3$ and $PC = 4$, find $BC$.",
"options": [],
"answer": "1 + 2√2",
"solution": "Answer: $1 + 2\\sqrt{2}$\n\nWe translate $\\triangle APD$ to $\\triangle BQC$ so that the condition becomes $\\angle BQC + \\angle BPC = 180^\\circ$. This means $BQCP$ is a cyclic quadrilateral. Draw a line through $P$ parallel to $AB$. This line passes through $Q$, and let $E$ and $F$ be the points where this line meets $AD$ and $BC$ respectively.\n\nNote that $AB = PQ$ due to the translation. Hence\n$BC = PQ$, so they subtend equal angles on the circumference of the circle.\n\nEquating the angles subtended on the major arcs gives $\\angle BPC = \\angle QCP$ (note that $\\angle BPC$ is given to be acute, and that $\\angle QCP$ is acute since $PB < PC$). Equating the angles subtended on the minor arcs gives $\\angle BQC = \\angle PBQ$. Since we also have $\\angle BQC + \\angle BPC = 180^\\circ$, it follows that the cyclic quadrilateral $BQCP$ is actually an isosceles trapezoid with $BQ$ and $PC$ parallel. Hence we have $FP = FC = 2\\sqrt{2}$, and so $BF = \\sqrt{3^2 - (2\\sqrt{2})^2} = 1$. It follows that $BC = BF + FC = 1 + 2\\sqrt{2}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31794,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "In a chess tournament, there were $n$ contestants and any two of them played at most one game against each other. Each contestant has played exactly $100$ games. For any two contestants $A$ and $B$ who had played against each other, there were exactly $50$ other participants who have played against both $A$ and $B$. On the other hand, for any two contestants $C$ and $D$ who had not played against each other, there were exactly $4$ other participants who have played against both $C$ and $D$. Find the value of $n$.",
"options": [],
"answer": "1326",
"solution": "Answer: $1326$\n\nPick any contestant $x$. Suppose he has played against $y_1, y_2, \\dots, y_{100}$ (call these Group Y contestants). Denote the contestants who have not played against $x$ by $z_1, z_2, \\dots, z_m$ (call these Group Z contestants).\n\n\n\nA Group Y contestant (who has played against $x$) has exactly $50$ common opponents with $x$ (who must be Group Y contestants), and so has played against exactly $100 - 1 - 50 = 49$ Group Z contestants. On the other hand, since a Group Z contestant has not played against $x$, he has exactly $4$ common opponents with $x$ (who must be Group Y contestants). Thus the number of games between a Group Y contestant and a Group Z contestant is equal to $100 \\times 49$ as well as $4m$. It follows that these numbers are equal, and so\n$$\nn = 1 + 100 + m = 1 + 100 + \\frac{100 \\times 49}{4} = 1326.\n$$\nThe scenario described in the question is indeed possible. Note that the answer is actually $\\binom{52}{2}$. To construct the scenario, label the contestants by $2$-element subsets of $\\{1, 2, \\dots, 52\\}$, and let two contestants play a game if and only if their corresponding subsets have a common element. It is easy to check that all given conditions are satisfied.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31795,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "There are 20 students in a class, numbered $1$ to $20$. They have taken a test with $n$ questions. After the test, the teacher tried to pick some students to draft the solutions, and as such it is necessary that the picked students together can solve all questions. The teacher found that this can be only done by choosing all students whose class numbers are even, or all students whose class numbers are multiples of $5$, or any combination that includes all students from one of the two groups mentioned above. Find the smallest possible value of $n$.",
"options": [],
"answer": "18",
"solution": "Answer: $18$\n\nFor convenience we shall call 'a student whose class number is even' an even student. We make the following observations.\n\n(1) Every question is solved by at least one even student (as the teacher could choose all even students).\n\n(2) Similarly, every question is solved by at least one of students $5$, $10$, $15$, $20$.\n\n(3) Students $2$, $4$, $6$, $\\ldots$, $18$ (i.e. all even students except student $20$) cannot solve all questions (since any choice of the teacher must include either all even students or all students whose numbers are multiples of $5$). By (1), there must be a question which was solved by student $20$ but not by any other even student.\n\n(4) For the same reason in (3), there must be a question which was solved by student $10$ but not by any other even student.\n\n(5) We claim that there exist at least two questions that were solved by student $2$ but not any other even student. Using the same argument as in (3), we can show that there is at least one such question. Now suppose there is exactly one such question $P$. Now neither student $10$ nor $20$ solved $P$, so by (2) we know that either student $5$ or $15$ solved $P$. Without loss of generality suppose student $5$ did it. Consider students $4$, $5$, $6$, $8$, $10$, $12$, $14$, $16$, $18$, $20$ (i.e. all even students but with student $2$ replaced by student $5$). Since student $2$ and student $15$ are missing, these students together did not solve all questions. That means there is a question $Q$ which cannot be solved by these students (note that $P \\neq Q$ since student $5$ solved $P$). As student $2$ cannot solve $Q$ either (since $P$ is the only question solved by student $2$ but not any other even student), that means no even student could solve $Q$, which contradicts (1). This proves the claim.\n\n(6) For the same reason in (5), for each of students $4$, $6$, $8$, $12$, $14$, $16$, $18$, there must be at least two questions that were solved by that student but not any other even student.\n\nFrom (3), (4), (5) and (6), there are at least $1 + 1 + 2 + 2 \\times 7 = 18$ questions, and they are clearly distinct (by considering which even student solved each question). On the other hand, we can construct a paper with exactly $18$ questions as follows:\n\n* Question $10$ — solved by student $10$ only\n* Question $20$ — solved by student $20$ only\n* Question $x$ for each $x \\in \\{2, 4, 6, 8, 12, 14, 16, 18\\}$ — solved by students $5$ and $x$ only\n* Question $x'$ for each $x' \\in \\{2, 4, 6, 8, 12, 14, 16, 18\\}$ — solved by students $15$ and $x$ only\n\nIt can be easily checked that all even students together solved all questions, all students whose numbers are multiples of $5$ together solved all questions, and that if not all even students are present and not all students whose numbers are multiples of $5$ are present, then at least one question is not solved by the students picked. The answer is thus $18$.",
"topic": "Discrete Mathematics",
"subtopic": "Combinatorics"
},
{
"id": 31796,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Given $\\triangle ABC$, $\\angle CAB = 75^\\circ$ and $\\angle ACB = 45^\\circ$. $BC$ is extended to $T$ so that $BC = CT$. Let $M$ be the midpoint of the segment $AT$. Find $\\angle BMC$.",
"options": [],
"answer": "45°",
"solution": "As $M$ and $C$ are midpoints of $AT$ and $BT$ respectively, we have $MC // AB$ and $MC = \\frac{1}{2} AB$ by the midpoint theorem. Extend $CM$ to $K$ so that $CM = MK$. Then $AB = CK$, and hence $ABCK$ is a parallelogram. Also, extend $CA$ to $S$ so that $\\angle SKC = 75^\\circ$. Then $\\triangle SKC$ is an isosceles triangle with $SC = SK$. Therefore, $\\angle SMC = \\angle SMK = 90^\\circ$.\n\nLet $BA$ meet $SK$ at $L$. Then $LKCA$ is an isosceles trapezoid. It follows that $LC = AK = BC$. Together with $\\angle B = 60^\\circ$, we know that $\\triangle CBL$ is equilateral, and hence $BC = BL$. Furthermore, $\\angle LSC = 30^\\circ = \\frac{1}{2} \\angle LBC$. Thus, $S$ lies on the circle with centre $B$ and radius $BC$. Therefore, $BS = BL = BC$, and\n$$\n\\angle SBC = 180^\\circ - 2\\angle BCA = 90^\\circ.\n$$\nFinally, $S, B, C, M$ are concyclic since $\\angle SBC + \\angle SMC = 180^\\circ$. It follows that $\\angle BMC = \\angle BSC = 45^\\circ$.\n\n",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31797,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "We say that a real number is 'almost an integer' if it differs from an integer by at most $0.1$. For example, $2023$, $-2023.9$ and $2023.0822$ are almost integers. Show that among any $10$ real numbers, there exist two different real numbers whose difference is almost an integer.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Let $x_1, x_2, \\dots, x_{10}$ be the real numbers. For each $j$, we write $x_j = a_j + b_j$ where $a_j$ is the largest integer not exceeding $x_j$. Note that we must have $0 \\le b_j < 1$. WLOG we may assume $b_1 \\le b_2 \\le \\dots \\le b_{10}$.\n\n* If $b_{j+1} - b_j \\le 0.1$ for some $j = 1, 2, \\dots, 9$, then $x_{j+1} - x_j$ is almost an integer since\n$$\n(x_{j+1} - x_j) - (a_{j+1} - a_j) = b_{j+1} - b_j \\in [0, 0.1],\n$$\nwhere $a_{j+1} - a_j$ is an integer.\n\n* If $b_{j+1} - b_j > 0.1$ for all $j = 1, 2, \\dots, 9$, then $b_{10} - b_1 > 0.9$, and hence $x_1 - x_{10}$ is almost an integer since\n$$\n(x_1 - x_{10}) - (a_1 - a_{10} - 1) = 1 - (b_{10} - b_1) \\in (0, 0.1),\n$$\nwhere $a_1 - a_{10} - 1$ is an integer.\n\nTherefore, in any case, we can find two different real numbers whose difference is almost an integer.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31798,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $n$ be a positive integer. In each cell of an $n \\times n$ grid, we place a coin with either the head or the tail facing upwards. Each time we can select one cell, and flip all the $2^n - 1$ coins that lie in the same row or the same column as this cell. Find all $n$ such that it is always possible to have all the coins with the heads facing upwards after finitely many moves, no matter how we place the coins initially.",
"options": [],
"answer": "n = 1 and all positive even n",
"solution": "Answer: 1 and all positive even numbers.\n\nIn the following, to operate on the $(i, j)$th cell (the cell in the $i$th row and the $j$th column) means to perform an operation by selecting the $(i, j)$th cell in the operation.\n\n* When $n = 1$, it is clear that the goal can always be met.\n\n* When $n$ is even, it suffices to show that it is possible to flip any arbitrary coin only in some moves. Indeed, if we want to flip the coin in the $(i, j)$th cell (called $C$), we simply operate on every cell that lies in the same row or the same column as $C$.\n\n- The coin in $C$ is flipped $2n - 1$ times, which is odd.\n- Each coin in the same row or the same column as $C$ other than the coin in $C$ is flipped $n$ times, which is even.\n- Every other coin is flipped $2$ times, which is even.\n\nTherefore, we see that only the coin in $C$ is flipped after these operations.\n\n* When $n$ is odd and greater than $1$, it suffices to consider the reverse process, i.e. starting with all coins with the heads facing upwards, we cannot obtain all possible configurations after finitely many moves. Note that there are $2^{n^2}$ possible configurations since there are two possibilities for each of the $n^2$ cells. On the other hand, note that the order of operations does not affect the result, and operating the same cell twice does not change the result. Therefore, we may assume each cell is operated $0$ or $1$ time. This leads to $2^{n^2}$ different sets of operations. Thus, it suffices to show that there are two different sets of operations that lead to the same configuration.\n\nIndeed, we simply operate on every cell in the first row and the first column except the $(1, 1)$th cell.\n- The coin in the $(1, 1)$th cell is flipped $2(n-1)$ times, which is even.\n- Each coin in the first row or the first column other than the coin in the $(1, 1)$th cell is flipped $n-1$ times, which is even.\n- Every other coin is flipped $2$ times, which is even.\n\nTherefore, we see that no coin is flipped after these operations, which means this has the same effect as not performing any operation at all (which is also one of the $2^{n^2}$ sets of operations). This completes the proof.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31799,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $n$ be a positive integer. Show that if $p$ is a prime dividing $5^{4n} - 5^{3n} + 5^{2n} - 5^n + 1$, then $p \\equiv 1 \\pmod 4$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Clearly, $p \\neq 2, 5$. Let $m = 5^{4n} - 5^{3n} + 5^{2n} - 5^n + 1$. Then\n$$\n(2 \\cdot 5^{2n} - 5^n + 2)^2 - 5 \\cdot 5^{2n} = 4m \\equiv 0 \\pmod{p}.\n$$\nThis gives $5 \\equiv (5^{-n}(2 \\cdot 5^{2n} - 5^n + 2))^2 \\pmod{p}$. Using the Legendre symbol, we have $\\left(\\frac{5}{p}\\right) = 1$. On the other hand, we have\n$$\n(5^{2n} - 5^n + 1)^2 + 5^n(5^n - 1)^2 = m \\equiv 0 \\pmod{p}.\n$$\nAs above, this implies $\\left(\\frac{-5^n}{p}\\right) = 1$. It follows that\n$$\n\\left(\\frac{-1}{p}\\right) = \\left(\\frac{-5^n}{p}\\right) \\left(\\frac{5^n}{p}\\right) = 1 \\cdot 1^n = 1.\n$$\nTherefore, $p \\equiv 1 \\pmod 4$.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 31800,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $m$ and $n$ be positive integers such that $\\sqrt{m} + \\sqrt{n} = \\sqrt{2023}$. Find the greatest possible value of $m+n$.",
"options": [],
"answer": "1799",
"solution": "Note that $\\sqrt{2023} = 17\\sqrt{7}$. Hence we must have $\\sqrt{m} = p\\sqrt{7}$ and $\\sqrt{n} = q\\sqrt{7}$, where $p$ and $q$ are positive integers with sum $17$. We have\n$$\nm + n = 7p^2 + 7q^2 = 7p^2 + 7(17-p)^2 = 14 \\left[ \\left( p - \\frac{17}{2} \\right)^2 + \\frac{289}{4} \\right],\n$$\nwhich is maximized when $p$ is as far away from $\\frac{17}{2}$ as possible. We should take either $(p, q) = (1, 16)$ or $(16, 1)$, and the answer is thus $7(1)^2 + 7(16)^2 = 1799$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31801,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Problem:\n\nA number is called *Norwegian* if it has three distinct positive divisors whose sum is equal to $2022$. Determine the smallest Norwegian number.\n\n(Note: The total number of positive divisors of a Norwegian number is allowed to be larger than $3$.)",
"options": [],
"answer": "1974",
"solution": "",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31802,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Given an acute $\\triangle ABC$ with $AB > AC$, let $M$ be the midpoint of the side $BC$. Let $I$ be the incentre of $\\triangle ABC$, and let $D$ be the foot of perpendicular from $I$ to $BC$. The line passing through $A$ and perpendicular to $BC$ meets the circumcircle of $\\triangle ABC$ again at $E \\neq A$. Suppose $\\angle MID = \\angle ACB - \\angle ABC$. Prove that $DE = DI$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Let $O$ and $H$ be the circumcentre and the orthocentre of $\\triangle ABC$ respectively. Reflect $A$ about $O$ to a point $A'$. Reflect $D$ about $M$ and $I$ to points $D'$ and $P$ respectively. Also, let $Q$ be the midpoint of $AH$. Notice the following well-known results.\n\n* $E$ and $H$ are symmetric about the line $BC$\n* $M$ is the midpoint of $A'H$\n* $A$, $P$, $D'$ are collinear (as $D'$ is the contact point of the $A$-excircle and the side $BC$)\n\n$$\n\\angle OAI = \\angle HAI\n$$\n\nNow, we first find that $\\angle OAH = A - (90^\\circ - C) - (90^\\circ - C) = C - B = \\angle MID$. As $AH \\parallel ID$, we have $AO \\parallel IM$. By the midpoint theorem, we also have $APD' \\parallel IM$. Therefore, $A$, $P$, $O$, $D'$, $A'$ are collinear. Again by the midpoint theorem, we have $QM \\parallel AA'$, and hence $Q$, $I$, $M$ are collinear. This shows $APIQ$ is a parallelogram. But since $AI$ intersects $\\angle PAQ$, the parallelogram $APIQ$ is indeed a rhombus. In addition, as $ID = IP$ and $QH = QA$, $IDHQ$ is also a rhombus. It follows that $DE = DH = DI$.\n\n",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31803,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $u, v, w$ be positive integers, with $v$ and $w$ not exceeding $2023$, such that $u - v = 2w$ and $(u^2 + w^2)(v^2 + w^2)$ is divisible by $289$. How many sets of possible values of $(u, v, w)$ are there?",
"options": [],
"answer": "67473",
"solution": "Answer: $67473$\n\nIt suffices to choose $v$ and $w$ since there is a unique choice for $u = v + 2w$ after fixing $v$ and $w$. Note that $289 = 17^2$ and $2023 = 7 \\times 17^2$. We consider two cases.\n\nCase 1: $w$ is divisible by $17$\n\nIn this case $v$ is also divisible by $17$ (if not, then $u = v + 2w$ not divisible by $17$, so neither $u^2 + w^2$ nor $v^2 + w^2$ can be divisible by $17$). Furthermore, any choice of positive multiples of $17$ not exceeding $2023$ for each of $v$ and $w$ satisfies the given condition. Hence there are $7 \\times 17$ choices for each of $v$ and $w$, and thus $(7 \\times 17)^2$ sets of $(u, v, w)$ in this case.\n\nCase 2: $w$ is not divisible by $17$\n\nThere are $2023 - 7 \\times 17 = 7 \\times 17 \\times 16$ choices for $w$. For each $w$, we try to find $v$. First note that\n$$\n\\begin{aligned}\n(u^2 + w^2)(v^2 + w^2) &\\equiv (u^2 - 16w^2)(v^2 - 16w^2) \\\\\n&= (u + 4w)(u - 4w)(v + 4w)(v - 4w) \\\\\n&= (v + 6w)(v - 2w)(v + 4w)(v - 4w) \\pmod{17}.\n\\end{aligned}\n$$\nHence we can choose $v$ as follows.\n\n* From the above we see that $v$ must be equal to $-6w, 2w, -4w$ or $4w$ modulo $17$ (and they are distinct modulo $17$).\n* Each of the 4 choices of $v$ modulo $17$ corresponds to exactly one choice of $v$ modulo $289$ for which $(u^2 + w^2)(v^2 + w^2)$ is divisible by $289$.\n* Each choice of $v$ modulo $289$ corresponds to $7$ actual possible values of $v$ since $2023 = 7 \\times 289$.\n\nHence for each $w$, there are $4 \\times 7$ choices for $v$. It follows that there are altogether $(7 \\times 17 \\times 16) \\times (4 \\times 7) = 7^2 \\times 17 \\times 64$ sets of $(u, v, w)$ in this case.\n\nIt follows that the answer is $(7 \\times 17)^2 + 7^2 \\times 17 \\times 64 = 7^2 \\times 17 \\times 81 = 67473$.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 31804,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "There are $2n$ cards labelled $1, 2, \\ldots, 2n$ respectively, where $n$ is a positive integer. Two players $A$ and $B$ take turns choosing a card which has not been chosen by anyone, with $A$ going first, until all cards are chosen. Let $a_1, a_2, \\ldots, a_n$ be the labels of the cards chosen by $A$ in this order, and let $b_1, b_2, \\ldots, b_n$ be the labels of the cards chosen by $B$ in this order. The score of $A$ is equal to\n$$\n(a_1 + a_2 + \\dots + a_n)^2 + (b_1 + b_2 + \\dots + b_n)^2 - (a_1b_1 + a_2b_2 + \\dots + a_nb_n).\n$$\nWhat is the maximum score (in terms of $n$) that $A$ can guarantee to obtain regardless of how $B$ plays?",
"options": [],
"answer": "n(6n^3 + 2n^2 + 1)/3",
"solution": "The answer is\n$$\n\\begin{aligned}\nN &:= \\left( \\sum_{k=1}^{n} 2k \\right)^2 + \\left( \\sum_{k=1}^{n} (2k-1) \\right)^2 - \\sum_{k=1}^{n} (2k-1)(2k) \\\\\n&= n^2(n+1)^2 + n^4 - \\left( \\frac{2n(n+1)(2n+1)}{3} - n(n+1) \\right) \\\\\n&= \\frac{n(6n^3 + 2n^2 + 1)}{3}\n\\end{aligned}\n$$\n\nDenote\n$X = a_1 + a_2 + \\cdots + a_n,$\n$Y = b_1 + b_2 + \\cdots + b_n,$\n$S = X^2 + Y^2,$\n$T = a_1 b_1 + a_2 b_2 + \\cdots + a_n b_n.$\n\nClaim. $T \\le 1 \\cdot 2 + 3 \\cdot 4 + \\cdots + (2n-1)(2n)$\n\n*Proof.* Since there are finitely many possible ways to assign the values, $T$ must attain a maximum value. For this maximal case, we may assume $a_i < b_i$ for each $i$. Note that we may assume $\\{a_i\\}$ and $\\{b_i\\}$ are increasing by the rearrangement inequality.\n\nUnder these assumptions, we must have $a_1 = 1$. We are going to show that $a_i = 2i - 1$ and $b_i = 2i$ for all $i$. Suppose on the contrary that this does not hold. Then there is a smallest index $k$ such that $b_k \\neq 2k$. Note that we must have $a_i = 2i - 1$ for $i = 1, 2, \\dots, k$ and $a_{k+1} = 2k$ (clearly $k \\neq n$). This implies $a_k < a_{k+1} < b_k < b_{k+1}$. By the rearrangement inequality, we have\n$$\na_k b_k + b_{k+1} a_{k+1} < a_k a_{k+1} + b_{k+1} b_k.\n$$\nThis means we can swap $b_k$ and $a_{k+1}$ to increase the value of $T$, contradiction.\n\nTherefore, $T$ is maximized when $a_i = 2i - 1$ and $b_i = 2i$ for all $i$. This proves the claim. $\\square$\n\nNow, we show that $A$ can guarantee to obtain score $N$. A strategy is to choose the card with the largest label in each round. Note that $a_i \\ge 2(n+1-i)$ for each $i$ since at least one of the cards $2(n+1-i), 2(n+1-i)+1, \\dots, 2n$ is not chosen in the $i$th round. As $X+Y = 1+2+\\dots+2n$ is fixed and $X > Y$ (because of this strategy), $S$ is smaller when $X$ is smaller. Thus,\n$$\nS \\ge (2+4+\\dots+2n)^2 + (1+3+\\dots+(2n-1))^2.\n$$\nTogether with the claim, we deduce\n$$\nS - T \\ge \\left( \\sum_{k=1}^{n} 2k \\right)^2 + \\left( \\sum_{k=1}^{n} (2k-1) \\right)^2 - \\sum_{k=1}^{n} (2k-1)(2k) = N\n$$\nas desired.\n\nNext, we show that $B$ can guarantee that the score of $A$ is at most $N$. A strategy is to pair up the cards with labels $2m-1$ and $2m$ for each $m = 1, 2, \\dots, n$, and choose a card in the same pair as the card just chosen by $A$ in each round. It is easy to see that\n$$\nT = 1 \\cdot 2 + 3 \\cdot 4 + \\dots + (2n-1)(2n).\n$$\nAlso, as $|a_i - b_i| = 1$ for each $i$, we have\n$$\n\\begin{aligned}\nS &= X^2 + Y^2 = \\frac{(X+Y)^2 + (X-Y)^2}{2} \\\\\n&= \\frac{1}{2} \\left[ (1+2+\\dots+2n)^2 + \\left( \\sum_{i=1}^{n} (a_i - b_i) \\right)^2 \\right] \\\\\n&\\le \\frac{(1+2+\\dots+2n)^2 + n^2}{2}\n\\end{aligned}\n$$\n\nEquality holds when $a_i - b_i = 1$ for all $i$ or $a_i - b_i = -1$ for all $i$. This is exactly the case when\n$$\nS-T = \\left(\\sum_{k=1}^{n} 2k\\right)^2 + \\left(\\sum_{k=1}^{n} (2k-1)\\right)^2 - \\sum_{k=1}^{n} (2k-1)(2k) = N.\n$$\nThe proof is complete.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31805,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Given $\\triangle ABC$ with $AB < AC$, let $AD$ be the bisector of $\\angle BAC$ with $D$ on the side $BC$. Let $\\Gamma$ be a circle passing through $A$ and $D$ which is tangent to $BC$ at $D$. Suppose $\\Gamma$ cuts the side $AB$ again at $E \\neq A$. The tangent to the circumcircle of $\\triangle BDE$ at $D$ intersects $\\Gamma$ again at $F \\neq D$. Let $P$ be the intersection point of the segments $EF$ and $AC$. Prove that $PD$ is perpendicular to $BC$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Let $Q \\neq A$ be the second intersection point of $\\Gamma$ and $AC$. As\n$$\n\\angle EDB = \\angle EAD = \\angle DAQ = \\angle DEQ,\n$$\nwe have $EQ // BC$. Also, we have $AF // BC$ since\n$$\n\\angle EAF = 180^\\circ - \\angle FDE = 180^\\circ - \\angle DBE.\n$$\n\nThis shows $EQ // AF$, and hence $AEQF$ is an isosceles trapezoid. Thus, the intersection point $P$ of the diagonals lies on the perpendicular bisector of $EQ$. Note that $D$ also lies on the perpendicular bisector of $EQ$ because $AD$ bisects $\\angle EAQ$ and $A$, $E$, $D$, $Q$ are concyclic. Therefore, $PD \\perp EQ$, which implies $PD \\perp BC$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31806,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $n$ be a positive integer. Prove that there exists a positive integer $m$ such that\n$$\n3^n + 5^n - 1\n$$\nis divisible by $7^n$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "We show that $m = 7^{n-1}$ works. By the lifting the exponent lemma, we have\n$$\nv_7(3^m + 4^m) = v_7(3^m + 4^m) + v_7(m) = 1 + (n-1) = n.\n$$\nThis implies $7^m \\mid 3^m + 4^m$, and hence $3^m \\equiv -4^m \\pmod{7^n}$. Similarly, $5^m \\equiv -2^m \\pmod{7^n}$. It follows that\n$$\n3^m + 5^m - 1 \\equiv -4^m - 2^m - 1 \\equiv -(2^{2m} + 2^m + 1) \\pmod{7^n}. \\quad (1)\n$$\nNext, again by the lifting the exponent lemma, we have\n$$\nv_7(8^m - 1) = v_7(8^m - 1) + v_7(m) = 1 + (n-1) = n.\n$$\nThis implies $7^m \\mid 8^m - 1 = (2^m - 1)(2^{2m} + 2^m + 1)$. As $3 \\nmid m$, we have $7 \\nmid 2^m - 1$. Therefore, we must have\n$$\n7^m \\mid 2^{2m} + 2^m + 1. \\quad (2)\n$$\nCombining (1) and (2), we see that $7^m \\mid 3^m + 5^m - 1$ as desired.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 31807,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "A point $P$ lies inside an equilateral triangle $ABC$ such that $AP = 15$ and $BP = 8$. Find the maximum possible value of the sum of areas of triangles $ABP$ and $BCP$.",
"options": [],
"answer": "60 + 16√3",
"solution": "Rotate $\\triangle PBC$ about point $B$ by $60^\\circ$ in the anticlockwise direction, so that $BA$ is the image of $BC$ after rotation. Let $Q$ be the image of $P$ after rotation. Then\n$$\n[ABP] + [BCP] = [PAQB] = [PQB] + [QPA].\n$$\n\n\n\nNow, $\\triangle PQB$ is an equilateral triangle with side length $8$, and so its area is\n$$\n\\frac{\\sqrt{3}}{4} \\times 8^2 = 16\\sqrt{3}.\n$$\nAlso, we have\n$$\n[QPA] = \\frac{1}{2} \\times 8 \\times 15 \\times \\sin \\angle QPA \\le \\frac{1}{2} \\times 8 \\times 15 = 60.\n$$\nThus, the sum of areas is at most $60 + 16\\sqrt{3}$. Equality holds when $\\angle QPA = 90^\\circ$, i.e. $\\angle BPA = 150^\\circ$ (which fixes $\\triangle ABC$ and point $P$).",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31808,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "There is a $20 \\times 20$ table and $400$ cards printed with the numbers $1$ to $400$. The cards are then distributed to the cells of the table so that there is one card in each cell. After that, we put a red sticker on the card in each row with the largest number, and a blue sticker on the card in each column with the largest number. Let $A$ denote the smallest number on the $20$ cards with red stickers, and $B$ denote the smallest number on the $20$ cards with blue stickers. How many different possible values of $|A - B|$ are there?",
"options": [],
"answer": "362",
"solution": "Answer: $362$\n\nFor convenience we shall use the term 'red number' to the number on a card with a red sticker, and similarly for 'blue number'. Clearly, a red number, being a row maximum, is at least $20$. Also, since $A$ is the smallest red number, there are $19$ other red numbers greater than $A$, so $A$ is at most $381$. The same is true for $B$. That is, both $A$ and $B$ are between $20$ and $381$ (inclusive), and so $|A - B|$ is at most $361$.\n\nWe shall prove that all these $362$ possibilities (from $0$ to $361$) for $|A - B|$ are attainable. Indeed, we can make $A = 381$ and $B$ can be equal to any value between $20$ and $381$. To make $A = B = 381$ we can use the following configuration (the arrangements of the starred entries are unimportant):\n\n| 381 | * | * | ... | * |\n| --- | --- | --- | --- | --- |\n| * | 382 | * | ... | * |\n| * | * | 383 | ... | * |\n| ... | ... | ... | ... | ... |\n| * | * | * | ... | 400 |\n\nOn the other hand for any $B \\in \\{20, 21, ..., 380\\}$, we can use the following configuration to obtain such value of $B$ while having $A = 381$:\n\n| 1 | * | * | ... | * | 381 |\n| --- | --- | --- | --- | --- | --- |\n| 2 | 382 | * | ... | * | * |\n| 3 | * | 383 | ... | * | * |\n| ... | ... | ... | ... | ... | ... |\n| 19 | * | * | ... | 399 | * |\n| B | * | * | ... | * | 400 |\n\nIt follows that the answer is $362$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31809,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $n \\ge 4$ be a positive integer. Consider any set $A$ formed by $n$ distinct real numbers such that the following condition holds: for every $a \\in A$, there exist distinct elements $x, y, z \\in A$ such that $|x - a|, |y - a|, |z - a| \\ge 1$. For each $n$, find the greatest real number $M$ such that\n$$\n\\sum_{a \\in A} |a| \\ge M\n$$\nalways holds.",
"options": [],
"answer": "M = 4 for n = 4; M = 3 for n ≥ 5",
"solution": "The greatest $M$ is $4$ if $n = 4$, and is $3$ if $n \\ge 5$.\n\nLet $S$ be the sum $\\sum_{a \\in A} |a|$.\n\nFor $n = 4$, by considering $A = \\{-1, 0, 1, 2\\}$, we need $M \\le 4$. Let $a < b < c < d$ be the elements in $A$. From the condition, we must have $b - a, c - b, d - c \\ge 1$. This implies\n$$\nS = (|a| + |d|) + (|b| + |c|) \\ge |d - a| + |c - b| \\ge 3 + 1 = 4.\n$$\nThis shows the largest $M$ is $4$ when $n = 4$.\n\nFor $n \\ge 5$, by considering $A = \\{-1, 0, \\varepsilon, 2\\varepsilon, \\dots, (n-4)\\varepsilon, 1 + (n-4)\\varepsilon, 1 + (n-3)\\varepsilon\\}$ where $\\varepsilon > 0$, we need $M \\le 3 + f(n)\\varepsilon$ for some function $f$. When $\\varepsilon$ tends to $0$, this yields $M \\le 3$.\n\nFirstly, for $n = 5$, let $a < b < c < d < e$ be the elements in $A$. Since $c-a > c-b$ and $e-c > d-c$, we must have $c-a \\ge 1$ and $e-c \\ge 1$ by considering the element $c$. Also, at least one of $c-b \\ge 1$ and $d-c \\ge 1$ must hold. WLOG assume $c-b \\ge 1$. Then we have\n$$\nS \\ge (|a| + |e|) + (|b| + |c|) \\ge |e-a| + |c-b| \\ge 2 + 1 = 3.\n$$\nThis shows the largest $M$ is $3$ when $n = 5$.\n\nSecondly, for $n \\ge 6$, let $a$ be the element with the smallest absolute value. WLOG assume $a \\ge 0$.\n\n* If $0 \\le a \\le \\frac{1}{2}$, then whenever $|x-a| \\ge 1$, we must have $|x| \\ge 1-a$. Since there are three such $x$'s, we have $S \\ge 3(1-a) + (n-3)a \\ge 3(1-a) + 3a = 3$.\n* If $a > \\frac{1}{2}$, then all elements have absolute value larger than $\\frac{1}{2}$, and hence $S > \\frac{n}{2} \\ge 3$.\n\nThis shows the largest $M$ is $3$ when $n \\ge 6$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31810,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $ABCD$ be a cyclic quadrilateral. Assume that the points $Q$, $A$, $B$, $P$ are collinear in this order, in such a way that the line $AC$ is tangent to the circle $ADQ$, and the line $BD$ is tangent to the circle $BCP$. Let $M$ and $N$ be the midpoints of $BC$ and $AD$, respectively. Prove that the following three lines are concurrent: line $CD$, the tangent of circle $ANQ$ at point $A$, and the tangent to circle $BMP$ at point $B$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31811,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "A two digit number $s$ is *special* if $s$ is the common two leading digits of the decimal expansion of $4^n$ and $5^n$, where $n$ is a certain positive integer. Given that there are two special numbers, find these two special numbers.",
"options": [],
"answer": "21 and 46",
"solution": "The condition on $s$ means there exists a positive integer $n$ and nonnegative integers $a$ and $b$ such that\n$$\n10^a s \\le 5^n < 10^a (s+1) \\quad \\text{and} \\quad 10^b s \\le 4^n < 10^b (s+1).\n$$\nNote that $10^a s = 5^n$ and $10^b s = 4^n$ cannot hold simultaneously. Multiplying the second inequality and the square of the first inequality, we obtain\n$$\n10^{2a+b}s^3 < 5^{2n}4^n = 10^{2n} < 10^{2a+b}(s+1)^3.\n$$\nThis implies $s^3 < 10^{2n-2a-b} < (s+1)^3$. Since $s$ is a two-digit number, we have\n$$\n10^3 \\le s^3 < 10^{2n-2a-b} < (s+1)^3 \\le 10^6.\n$$\nThus, $2n-2a-b$ is equal to $4$ or $5$. This shows $s = \\lfloor 10^{\\frac{4}{3}} \\rfloor = 21$ or $\\lfloor 10^{\\frac{5}{3}} \\rfloor = 46$. The two special numbers are $21$ and $46$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31812,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Find all functions $f: \\mathbb{R} \\to \\mathbb{R}$ satisfying the following condition: for any real numbers $x$ and $y$, the number $f(x + f(y))$ is equal to $x + f(y)$ or $f(f(x)) + y$.",
"options": [],
"answer": "f(x) = x + c for some real constant c",
"solution": "$f(x) = x + c$ for some constant $c$.\n\nWe first check that all such functions are solutions. Indeed, if $f(x) = x + c$, then\n$$\nf(x + f(y)) = f(x + y + c) = x + y + 2c = f(f(x)) + y\n$$\nfor any $x, y \\in \\mathbb{R}$.\n\nNext, we prove that these are the only solutions. Replacing $x$ by $x - f(y)$, the given condition means\n$$\nf(x) = x \\quad \\text{or} \\quad f(x) = f(f(x - f(y))) + y\n$$\nfor any $x, y \\in \\mathbb{R}$. We are done if $f(x) = x$ for all $x \\in \\mathbb{R}$. Assume $f(a) \\neq a$ for some $a \\in \\mathbb{R}$. Then we have\n$$\nf(a) = f(f(a - f(y))) + y \\quad (1)\n$$\nfor any $y \\in \\mathbb{R}$. Note that $f$ is injective, since if $f(\\alpha) = f(\\beta)$, then\n$$\n\\alpha = f(\\alpha) - f(f(\\alpha - f(\\alpha))) = f(\\alpha) - f(f(\\alpha - f(\\beta))) = \\beta\n$$\nby (1). Setting $y = 0$ in (1), we have $f(a) = f(f(a - f(0)))$, and hence\n$$\na = f(a - f(0)) \\quad (2)\n$$\nas $f$ is injective. In particular, this implies $f(0) \\neq 0$ (as $f(a) \\neq a$).\n\n* If $f(x) \\neq x$ for all $x \\in \\mathbb{R}$, then (2) holds for all $a \\in \\mathbb{R}$. Replacing $a$ by $x + f(0)$, this gives $f(x) = x + c$ for all $x \\in \\mathbb{R}$, where $c = f(0)$ is a constant as desired.\n\n* Suppose $f(b) = b$ for some $b$. Note that $f(f(a)) \\neq f(a)$ since $f(a) \\neq a$ and $f$ is injective. It follows that (1) holds if we replace $a$ by $f(a)$. Thus, we obtain\n$$\nf(f(a)) = f(f(f(a) - f(y))) + y.\n$$\nPutting $y = a$, this yields\n$$\nf(f(a)) = f(f(0)) + a. \\quad (3)\n$$\nNext, putting $y = b$ in (1), we have $f(a) = f(f(a - b)) + b$. Recall that $f(a) \\neq a$, so we cannot have $f(a - b) = a - b$. Therefore, using (3) with $a$ replaced by $a - b$, we deduce\n$$\nf(a) = f(f(a - b)) + b = f(f(0)) + (a - b) + b = a + f(f(0)). \\quad (4)\n$$\nRecall that $f(0) \\neq 0$. Thus, we may take $a = 0$ in (4). This implies $f(0) = f(f(0))$. But then this yields $0 = f(0)$ by the injectivity, which is a contradiction.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31813,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $x$, $y$, $z$ be real numbers such that $x + y + z \\neq 0$. Find the minimum value of\n$$\n\\frac{|x| + |x + 4y| + |y + 7z| + 2|z|}{|x + y + z|}\n$$",
"options": [],
"answer": "15/11",
"solution": "By the triangle inequality, we have\n$$\n\\begin{aligned}\n\\frac{|x| + |x + 4y| + |y + 7z| + 2|z|}{|x + y + z|} &\\ge \\frac{|x| + \\frac{4}{11}|x + 4y| + \\frac{1}{11}|-y - 7z| + 2|z|}{|x + y + z|} \\\\\n&\\ge \\frac{|x + \\frac{4}{11}(x + 4y) + \\frac{1}{11}(-y - 7z) + 2z|}{|x + y + z|} \\\\\n&= \\frac{15}{11}.\n\\end{aligned}\n$$\nEquality holds when $(x, y, z) = (28k, -7k, k)$ for some $k \\neq 0$. So the minimum value is $\\frac{15}{11}$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31814,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "After expanding the polynomial $(1 + x + y)^{2023}$ and collecting like terms, we obtain the expression\n$$\na_0 + a_1x + a_2y + a_3x^2 + a_4xy + a_5y^2 + \\dots + a_ky^{2023}\n$$\nFind the total number of $a_i$'s which are divisible by $5$.",
"options": [],
"answer": "2044800",
"solution": "Note that $(1+x+y)^5 \\equiv 1+x^5+y^5 \\pmod{5}$ since the coefficients of all other terms are of the form $\\frac{5!}{i!(5-i)!}$ for some $i, j$ satisfying $0 \\le i+j \\le 5$ and $(i, j) \\ne (0, 0), (0, 5), (5, 0)$, all of which are divisible by $5$ as the denominator is not divisible by $5$. Inductively, we find that $(1+x+y)^{5k} \\equiv 1+x^{5k}+y^{5k} \\pmod{5}$ for all positive integers $k$. Now, note that $2023 = 3 \\cdot 5^4 + 5^3 + 4 \\cdot 5 + 3$. Therefore, we deduce\n$$\n(1+x+y)^{2023} = (1+x+y)^{3 \\cdot 5^4} (1+x+y)^{5^3} (1+x+y)^{4 \\cdot 5} (1+x+y)^3 \\\\\n\\equiv (1+x^{5^4}+y^{5^4})^3 (1+x^{5^3}+y^{5^3}) (1+x^{5^2}+y^{5^2}) (1+x^{5^1}+y^3) \\pmod{5}. \\quad (3)\n$$\nWhen we expand $(1 + X + Y)^n$, each term is of the form $X^a Y^b$ where $0 \\le a+b \\le n$. The total number of terms in the expansion is the number of nonnegative integer solutions to $a+b+c=n$ (by defining $c=n-a-b$), which is equal to $\\binom{n+2}{2}$. Therefore, there are $\\binom{5}{2} = 10$, $\\binom{3}{2} = 3$, $\\binom{6}{2} = 15$ and $\\binom{5}{2} = 10$ terms in the expansions of the factors on the right of (3) respectively. When we further expand their product, there are no like terms because the factorization corresponds to the base $5$ representation of the exponents (for example, the term $x^{5^4}y^{3 \\cdot 5+2}$ can only be obtained by taking $x^{5^4}$ from the first factor, taking $1$ from the second factor, taking $y^{3 \\cdot 5}$ from the third factor and taking $y^2$ from the fourth factor). Also, the coefficient of every term is not divisible by $5$ because all exponents are less than $5$, and $5$ is a prime number. Thus, there are\n$$\n10 \\times 3 \\times 15 \\times 10 = 4500\n$$\ncoefficients $a_i$'s which are not divisible by $5$. The total number of $a_i$'s which are divisible by $5$ is\n$$\n\\left(\\frac{2025}{2}\\right) - 4500 = 2044800.\n$$",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 31815,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "A test question reads 'write down three consecutive positive integers not exceeding $2023$ in ascending order, such that one of them is a multiple of $6$, another one is a multiple of $7$ and the remaining one is a multiple of $8$. How many different correct answers are there for this question?'",
"options": [],
"answer": "24",
"solution": "Let $n$, $n + 1$ and $n + 2$ be the three consecutive positive integers. Then $1 \\leq n \\leq 2021$. Since multiples of $6$ and $8$ must be even, we must have $n + 1$ being divisible by $7$ whereas $n$ and $n + 2$ are divisible by $6$ and $8$ in either order. For each of these two cases, there are exactly two choices of $n$ among any $168$ consecutive positive integers by the Chinese remainder theorem since the L.C.M. of $6$, $7$ and $8$ is $168$. As $2021 = 12 \\times 168 + 5$, and none of $n = 2017, 2018, 2019, 2020, 2021$ satisfies the conditions, there are $2 \\times 12 = 24$ choices of $n$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31816,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Find all positive integer(s) $n$ such that $(2^n - 1)(5^n - 1)$ is a perfect square.",
"options": [],
"answer": "n = 1",
"solution": "$n = 1$.\nWhen $n = 1$, $(2^1 - 1)(5^1 - 1) = 4$ is a perfect square. Suppose $n > 1$.\n\n* If $n \\equiv 3 \\pmod{4}$, we have $(2^n - 1)(5^n - 1) \\equiv (2)(-1) \\equiv 3 \\pmod{5}$, which is not true for a square.\n\n* If $n \\equiv 1 \\pmod{4}$, we rewrite\n$$\n(2^n - 1)(5^n - 1) = (2^n - 1) \\cdot 4(5^{n-1} + 5^{n-2} + \\dots + 1).\n$$\nIf this is a square, so is $(2^n - 1)(5^{n-1} + 5^{n-2} + \\dots + 1)$. However,\n$$\n(2^n - 1)(5^{n-1} + 5^{n-2} + \\dots + 1) \\equiv (-1)(1 + 1 + \\dots + 1) = -n \\equiv 3 \\pmod{4},\n$$\nwhich is not true for a square.\n\n* If $n = 2m$ is even, suppose $(2^n - 1)(5^n - 1)$ is a perfect square. Let $2^n - 1 = ds^2$ and $5^n - 1 = dt^2$ where $d$ is squarefree. We first show that $d > 1$. Indeed, if $d = 1$, then $5^{2m} - t^2 = 1$. This gives $(5^m - t)(5^m + t) = 1$, which is impossible as $t > 0$. Now, it is known that the solutions to Pell's equation $x^2 - dy^2 = 1$ are generated by $(x_1 + y_1\\sqrt{d})^n = x_n + y_n\\sqrt{d}$, where $(x_1, y_1)$ is the fundamental solution.\nClaim. Let $(x_k, y_k)$ be a solution to $x^2 - dy^2 = 1$.\n(i) If $k \\equiv 0 \\pmod{2}$, then $x_k \\equiv 1 \\pmod{2}$ and $y_k \\equiv 0 \\pmod{2}$.\n(ii) If $k \\equiv 1 \\pmod{2}$, then $x_k \\equiv x_1 \\pmod{2}$ and $y_k \\equiv y_1 \\pmod{2}$.\n\nProof.\n(i) Let $k = 2l$. Then we have\n$$\n\\begin{aligned}\nx_k + y_k \\sqrt{d} &= (x_1 + y_1 \\sqrt{d})^{2l} \\\\\n&= (x_l + y_l \\sqrt{d})^2 \\\\\n&= x_l^2 + dy_l^2 + 2x_l y_l \\sqrt{d} \\\\\n&= 2x_l^2 - 1 + 2x_l y_l \\sqrt{d}.\n\\end{aligned}\n$$\nSo $x_k = 2x_l^2 - 1 \\equiv 1 \\pmod{2}$ and $y_k = 2x_l y_l \\equiv 0 \\pmod{2}$.\n\n$$\nx_{2l+1} = x_{2l}x_1 + y_{2l}y_1 d \\equiv x_1 \\pmod{2},\n$$\n$$\ny_{2l+1} = x_{2l}y_1 + x_1 y_{2l} \\equiv y_1 \\pmod{2}.\n$$\n$\\Box$\nNow, since $2^{2m} - 1 = ds^2$, $(x, y) = (2^m, s)$ is a solution to $x^2 - dy^2 = 1$. By the claim, we must have $x_1 \\equiv 0 \\pmod{2}$. Similarly, since $5^{2m} - 1 = dt^2$, $(x_k, y_k) = (5^m, t)$ is another solution. By the claim, as $5^m \\not\\equiv x_1 \\pmod{2}$, we must have $k \\equiv 0 \\pmod{2}$. Let $k = 2l$. Then we have $5^m = x_{2l} = 2x_l^2 - 1$. This implies $2x_l^2 - 1 \\equiv 0 \\pmod{5}$, and hence $x_l^2 \\equiv 3 \\pmod{5}$. This is impossible.\nTherefore, the only solution is $n = 1$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31817,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Find all nonnegative real numbers $a$, $b$, $c$ such that\n$$\n\\frac{4a + 9b + 25c}{2a + 3b + 5c} + \\frac{4b + 9c + 25a}{2b + 3c + 5a} + \\frac{4c + 9a + 25b}{2c + 3a + 5b} = 10\n$$",
"options": [],
"answer": "Exactly those triples where two of a, b, c are zero and the remaining one is positive; i.e., (a>0, b=0, c=0) or (a=0, b>0, c=0) or (a=0, b=0, c>0).",
"solution": "By the Cauchy-Schwarz inequality, we have\n$$\n(a + b + c)(4a + 9b + 25c) \\geq (2a + 3b + 5c)^2.\n$$\nThis implies $\\frac{4a + 9b + 25c}{2a + 3b + 5c} \\geq \\frac{2a + 3b + 5c}{a + b + c}$. Adding similar inequalities, we obtain\n$$\n\\begin{aligned}\n& \\frac{4a + 9b + 25c}{2a + 3b + 5c} + \\frac{4b + 9c + 25a}{2b + 3c + 5a} + \\frac{4c + 9a + 25b}{2c + 3a + 5b} \\\\\n\\geq & \\frac{4a + 9b + 25c}{a + b + c} + \\frac{4b + 9c + 25a}{b + c + a} + \\frac{4c + 9a + 25b}{c + a + b} \\\\\n= & \\frac{10a + 10b + 10c}{a + b + c} \\\\\n= & 10.\n\\end{aligned}\n$$\n\nBy the given condition, the equality should hold. This means we need\n$$\na : b : c = 4a : 9b : 25c = 25a : 4b : 9c = 9a : 25b : 4c,\n$$\nwhich means two of $a$, $b$, $c$ are zero, and the remaining can be any positive real number.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31818,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $ABCD$ be a convex quadrilateral with $AB = 5$, $AD = 17$, and $CD = 6$. If the angle bisectors of $\\angle BAD$ and $\\angle ADC$ intersect at the midpoint of $BC$, find the area of $ABCD$.",
"options": [],
"answer": "14√21",
"solution": "Let $M$ be the midpoint of $BC$. Let $B'$ and $C'$ be points on $AD$ such that $AB' = AB = 5$ and $DC' = DC = 6$. Then $B'C' = 17 - 5 - 6 = 6$. Note that $\\triangle ABM \\cong \\triangle AB'M$ and $\\triangle DCM \\cong \\triangle DC'M$. Note also that $\\triangle MB'C'$ is isosceles as $MB' = MB = MC = MC'$. Let $N$ be the midpoint of $B'C'$. Then we have $B'N = C'N = 3$ and $\\angle MB'C' = \\angle MC'B'$. Observe that $MCDB'$ is cyclic since $MD$ bisects $\\angle B'DC$ and $MB' = MC$ (while $DB' \\ne DC$). Thus,\n$$\n2 \\angle B'MA = \\angle B'MB = \\angle C'DC = 2 \\angle MDC'.\n$$\n\n\nFinally we have $MN = \\sqrt{MC'^2 - NC'^2} = \\sqrt{30-9} = \\sqrt{21}$. Therefore,\n$$\n\\begin{align*} \n[ABCD] &= 2([AB'M] + [DC'M] + [MB'N]) \\\\ \n&= (AB' + C'D + B'N) \\times MN \\\\ \n&= (5+6+3)\\sqrt{21} = 14\\sqrt{21}. \n\\end{align*}\n$$",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31819,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "$ABCD$ is a square of side length $1$. $BC$ is extended to $E$ and $DC$ is extended to $F$ such that $BE = DF = 3$. The circumcircle of $\\triangle AEF$ meets the extensions of $CB$ and $CD$ at $G$ and $H$ respectively. Find $GH$.",
"options": [],
"answer": "3√2/2",
"solution": "Answer: $\\frac{3\\sqrt{2}}{2}$\n\nNote that $AG = AH$ by symmetry. Hence they subtend equal angles on the circumference of the circle, i.e. we have $\\angle AFG = \\angle AFH$. Suppose $FA$ meets $GE$ at $I$.\n\nBy similar triangles, we have $BI : IC = AB : CF = 1 : 2$. Hence $IC = \\frac{2}{3}$. Let $GC = x$. Using the angle bisector theorem, we have $GI : IC = FG : FC$, i.e.\n\n$$\n\\frac{x - \\frac{2}{3}}{\\frac{2}{3}} = \\frac{\\sqrt{x^2 + 2^2}}{2}\n$$\n\nSolving gives $x = \\frac{3}{2}$. By symmetry, $HC$ also has length $\\frac{3}{2}$ and so $GH = \\frac{3\\sqrt{2}}{2}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31820,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $n$ be a positive integer such that $1^3 + 2^3 + \\dots + n^3$ is divisible by $n+3$. Find the greatest possible value of $n$.",
"options": [],
"answer": "15",
"solution": "Answer: 15\nNote that\n$$\n1^3 + 2^3 + \\cdots + n^3 = \\frac{n^2(n+1)^2}{4}\n$$\n\nHence, for $n + 3$ to divide $1^3 + 2^3 + \\cdots + n^3$, it is necessary for $n^2(n + 1)^2$ to be a multiple of $n + 3$, or equivalently, by setting $m = n + 3$,\n$$\n0 \\equiv n^2(n+1)^2 = (m-3)^2(m-2)^2 \\equiv 36 \\pmod{m}.\n$$\nHence $m$ must be a factor of 36. To find the greatest possible value of $n$, we proceed as follows:\n* If $m = 36$ (i.e. $n = 33$), we have $1^3 + 2^3 + \\cdots + 33^3 = \\frac{33^2 \\cdot 34^2}{4} = 33^2 \\cdot 17^2$ which is odd (and hence not divisible by $n + 3 = 36$).\n* The next largest possible value of $m$ is 18 (corresponding to $n = 15$), in which case we have\n$$\n1^3 + 2^3 + \\cdots + 15^3 = \\frac{15^2 \\cdot 16^2}{4} = 15^2 \\cdot 8^2 = 2^6 \\cdot 3^2 \\cdot 5^2,\n$$\nwhich is divisible by $n + 3 = 2 \\cdot 3^2$.\nIt follows that the answer is 15.",
"topic": "Number Theory",
"subtopic": "Divisibility / Factorization"
},
{
"id": 31821,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Let $\\Omega$ be the incircle of $\\triangle ABC$. There are two smaller circles $\\omega_1$ and $\\omega_2$ inside $\\triangle ABC$. The circle $\\omega_1$ is tangent to $\\Omega$ at $P$, tangent to $BC$ at $D$, and also tangent to $AB$. The circle $\\omega_2$ is tangent to $\\Omega$ at $Q$, tangent to $BC$ at $E$, and also tangent to $AC$. Prove that $D, E, Q, P$ are concyclic.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "Let $S$ be the point on $\\Omega$ different from the contact point of $\\Omega$ and $BC$ such that its tangent to $\\Omega$ is parallel to $BC$. Then the tangent at $D$ to $\\omega_1$ is parallel to the tangent at $S$ to $\\Omega$. By considering the homothety with centre $P$ mapping $\\omega_1$ to $\\Omega$, we see that $D$, $P$, $S$ are collinear. Similarly, $E$, $Q$, $S$ are collinear. Let $X$ be a point on the tangent at $S$ to $\\Omega$ as shown. Then we have\n$$\n\\angle SQP = \\angle PSX = \\angle EDP.\n$$\nThis implies $D$, $E$, $Q$, $P$ are concyclic.\n\n",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31822,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "In $\\triangle ABC$, $\\angle BAC = 150^\\circ$ and $BC = 74$. $D$ is a point on $BC$ such that $BD = 14$ and $\\angle ADB = 60^\\circ$. Find the area of $\\triangle ABC$.",
"options": [],
"answer": "111√3",
"solution": "Let $b$, $c$ and $d$ be the lengths of $AB$, $AC$ and $AD$ respectively.\nThe area of $\\triangle ABC$ is $\\frac{1}{2}bc\\sin 150^\\circ$. Alternatively, using $BC$ as base, the height of the triangle is $d\\sin 60^\\circ$ and so the area is also equal to $\\frac{1}{2}(74)d\\sin 60^\\circ$. This gives\n$$\n\\frac{1}{2}bc\\sin 150^\\circ = \\frac{1}{2}(74)d\\sin 60^\\circ,\n$$\nwhich simplifies to $bc = 74\\sqrt{3}d$. Using this and the cosine formula, we have\n$$\n\\begin{aligned}\n74^2 &= b^2 + c^2 - 2bc \\cos 150^\\circ \\\\\n&= [d^2 + 14^2 - 2d(14) \\cos 60^\\circ] + [d^2 + 60^2 - 2d(60) \\cos 120^\\circ] - 2(74\\sqrt{3}d) \\cos 150^\\circ \\\\\n&= 2d^2 + 268d + 3796,\n\\end{aligned}\n$$\nwhich simplifies to $2(d - 6)(d + 140) = 0$. Hence $d = 6$ and so the area of $\\triangle ABC$ is $\\frac{1}{2}(74)d\\sin 60^\\circ = 111\\sqrt{3}$.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31823,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "How many solutions are there to the equation $\\log_3 x = 3 \\sin(3\\pi x)$?",
"options": [],
"answer": "81",
"solution": "Answer: 81\nA sketch of the graphs of $y = \\log_3 x$ and $y = 3 \\sin (3\\pi x)$ is as follows:\n\n\n\nNote that the right hand side of the equation (i.e. $3\\sin(3\\pi x)$) must be between $-3$ and $3$. Hence any solution satisfies $-3 \\le \\log_3 x \\le 3$, or $\\frac{1}{27} \\le x \\le 27$. There are three solutions for $x \\le 1$ as shown in the graph above. For $x \\in (1, 27]$, we have $\\log_3 x > 0$ and the function $3\\sin(3\\pi x)$ is positive in 39 intervals, namely, $(\\frac{4}{3}, \\frac{5}{3})$, $(\\frac{6}{3}, \\frac{7}{3})$, ..., $(\\frac{80}{3}, \\frac{81}{3})$. In each of these intervals the graph of $\\log_3 x > 0$ intersects the graph of $3\\sin(3\\pi x)$ at exactly two points. The answer is thus $3 + 39(2) = 81$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Equations and Inequalities"
},
{
"id": 31824,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Find the largest real root to the equation $\\sqrt[3]{x^3 + 3x^2 - 4} - x = \\sqrt[3]{x^3 - 3x + 2} - 1$.",
"options": [],
"answer": "(1+3√5)/4",
"solution": "Answer: $\\frac{1+3\\sqrt{5}}{4}$\nWe can factorize the expressions to get\n$$\n\\sqrt[3]{(x-1)(x+2)^2} - x = \\sqrt[3]{(x-1)^2(x+2)} - 1.\n$$\nIf we let $u = \\sqrt[3]{x-1}$ and $v = \\sqrt[3]{x+2}$, the equation becomes $uv^2 = u^2v + u^3$, or\n$$\nu(u^2 + uv - v^2) = 0.$$\nIf $u = 0$, then $x = 1$. If there is another root $x > 1$, then $u, v$ must both be positive, so $u^2 + uv - v^2 = 0$ gives $u = \\lambda v$ where $\\lambda = \\frac{1}{2}(-1 + \\sqrt{5})$. Hence $u^3 = (\\lambda v)^3$, i.e. $x - 1 = \\lambda^3(x + 2)$, so we have\n$$\nx = \\frac{1 + 2\\lambda^3}{1 - \\lambda^3} = \\frac{1 + 2(\\sqrt{5} - 2)}{1 - (\\sqrt{5} - 2)} = \\frac{1 + 3\\sqrt{5}}{4}.\n$$\nIt is easy to check that such $x$ indeed satisfies the original equation, and hence is the largest real root to the equation.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Equations and Inequalities"
},
{
"id": 31825,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "A sequence of real numbers $a_{0}, a_{1}, a_{2}, \\ldots$ is defined by the formula\n$$\na_{i+1}=\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor \\cdot\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle \\quad \\text{ for } \\quad i \\geq 0\n$$\nhere $a_{0}$ is an arbitrary real number, $\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor$ denotes the greatest integer not exceeding $a_{i}$, and $\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle=a_{i}-\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor$. Prove that $a_{i}=a_{i+2}$ for $i$ sufficiently large.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "First note that if $a_{0} \\geq 0$, then all $a_{i} \\geq 0$. For $a_{i} \\geq 1$ we have (in view of $\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle<1$ and $\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor>0$ )\n$$\n\\left\\lfloor a_{i+1}\\right\\rfloor \\leq a_{i+1}=\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor \\cdot\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle<\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor\n$$\nthe sequence $\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor$ is strictly decreasing as long as its terms are in $[1, \\infty)$. Eventually there appears a number from the interval $[0,1)$ and all subsequent terms are $0$.\n\nNow pass to the more interesting situation where $a_{0}<0$; then all $a_{i} \\leq 0$. Suppose the sequence never hits $0$. Then we have $\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor \\leq -1$ for all $i$, and so\n$$\n1+\\left\\lfloor a_{i+1}\\right\\rfloor>a_{i+1}=\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor \\cdot\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle>\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor\n$$\nthis means that the sequence $\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor$ is nondecreasing. And since all its terms are integers from $(-\\infty,-1]$, this sequence must be constant from some term on:\n$$\n\\left\\lfloor a_{i}\\right\\rfloor=c \\quad \\text{ for } \\quad i \\geq i_{0} ; \\quad c \\text{ a negative integer. }\n$$\nThe defining formula becomes\n$$\na_{i+1}=c \\cdot\\left\\langle a_{i}\\right\\rangle=c\\left(a_{i}-c\\right)=c a_{i}-c^{2}\n$$\nConsider the sequence\n$$\n\\begin{equation*}\nb_{i}=a_{i}-\\frac{c^{2}}{c-1} \\tag{1}\n\\end{equation*}\n$$\nIt satisfies the recursion rule\n$$\nb_{i+1}=a_{i+1}-\\frac{c^{2}}{c-1}=c a_{i}-c^{2}-\\frac{c^{2}}{c-1}=c b_{i}\n$$\nimplying\n$$\n\\begin{equation*}\nb_{i}=c^{i-i_{0}} b_{i_{0}} \\quad \\text{ for } \\quad i \\geq i_{0} \\tag{2}\n\\end{equation*}\n$$\nSince all the numbers $a_{i}$ (for $i \\geq i_{0}$ ) lie in $[c, c+1)$, the sequence $\\left(b_{i}\\right)$ is bounded. The equation (2) can be satisfied only if either $b_{i_{0}}=0$ or $|c|=1$, i.e., $c=-1$.\n\nIn the first case, $b_{i}=0$ for all $i \\geq i_{0}$, so that\n$$\na_{i}=\\frac{c^{2}}{c-1} \\quad \\text{ for } \\quad i \\geq i_{0} .\n$$\nIn the second case, $c=-1$, equations (1) and (2) say that\n$$\na_{i}=-\\frac{1}{2}+(-1)^{i-i_{0}} b_{i_{0}}= \\begin{cases}a_{i_{0}} & \\text{ for } i=i_{0}, i_{0}+2, i_{0}+4, \\ldots, \\\\ 1-a_{i_{0}} & \\text{ for } i=i_{0}+1, i_{0}+3, i_{0}+5, \\ldots .\\end{cases}\n$$\nSummarising, we see that (from some point on) the sequence $\\left(a_{i}\\right)$ either is constant or takes alternately two values from the interval $(-1,0)$. The result follows.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 31826,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "The sequence of real numbers $a_{0}, a_{1}, a_{2}, \\ldots$ is defined recursively by\n$$\na_{0}=-1, \\quad \\sum_{k=0}^{n} \\frac{a_{n-k}}{k+1}=0 \\quad \\text{ for } \\quad n \\geq 1\n$$\nShow that $a_{n}>0$ for $n \\geq 1$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "The proof goes by induction. For $n=1$ the formula yields $a_{1}=1 / 2$. Take $n \\geq 1$, assume $a_{1}, \\ldots, a_{n}>0$ and write the recurrence formula for $n$ and $n+1$, respectively as\n$$\n\\sum_{k=0}^{n} \\frac{a_{k}}{n-k+1}=0 \\quad \\text{ and } \\quad \\sum_{k=0}^{n+1} \\frac{a_{k}}{n-k+2}=0 .\n$$\nSubtraction yields\n$$\n\\begin{aligned}\n0=(n+2) \\sum_{k=0}^{n+1} & \\frac{a_{k}}{n-k+2}-(n+1) \\sum_{k=0}^{n} \\frac{a_{k}}{n-k+1} \\\\\n& =(n+2) a_{n+1}+\\sum_{k=0}^{n}\\left(\\frac{n+2}{n-k+2}-\\frac{n+1}{n-k+1}\\right) a_{k}\n\\end{aligned}\n$$\nThe coefficient of $a_{0}$ vanishes, so\n$$\na_{n+1}=\\frac{1}{n+2} \\sum_{k=1}^{n}\\left(\\frac{n+1}{n-k+1}-\\frac{n+2}{n-k+2}\\right) a_{k}=\\frac{1}{n+2} \\sum_{k=1}^{n} \\frac{k}{(n-k+1)(n-k+2)} a_{k} .\n$$\nThe coefficients of $a_{1}, \\ldots, a_{n}$ are all positive. Therefore, $a_{1}, \\ldots, a_{n}>0$ implies $a_{n+1}>0$.",
"topic": "Algebra",
"subtopic": "Intermediate Algebra"
},
{
"id": 31827,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "The sequence $c_{0}, c_{1}, \\ldots, c_{n}, \\ldots$ is defined by $c_{0}=1$, $c_{1}=0$ and $c_{n+2}=c_{n+1}+c_{n}$ for $n \\geq 0$. Consider the set $S$ of ordered pairs $(x, y)$ for which there is a finite set $J$ of positive integers such that $x=\\sum_{j \\in J} c_{j}$, $y=\\sum_{j \\in J} c_{j-1}$. Prove that there exist real numbers $\\alpha$, $\\beta$ and $m$, $M$ with the following property: An ordered pair of nonnegative integers $(x, y)$ satisfies the inequality\n$$\nm<\\alpha x+\\beta y4 -4 0 -1 3 -2 -3 1 2 b_{s}$ such sums; so at least two of them, say $\\Sigma_{i, j}$ and $\\Sigma_{i^{\\prime}, j^{\\prime}}$, are congruent modulo $b_{s}$ (where $(i, j) \\neq\\left(i^{\\prime}, j^{\\prime}\\right)$ ). This means that $\\Sigma_{i, j}-\\Sigma_{i^{\\prime}, j^{\\prime}}=r b_{s}$ for some integer $r$. Notice that for $i \\leqslant j \\frac{n}{2}$, then we have $OA_{i-n/2+1} = A_{i}A_{i-n/2+1}$. This completes the proof.\n\n\nPart (b).\nWe now show that there exists a balanced, center-free set containing $n$ points for all odd $n \\geqslant 3$, and that one does not exist for any even $n \\geqslant 3$.\nIf $n$ is odd, then let $\\mathcal{V}$ be the set of vertices of a regular $n$-gon. We have shown in part (a) that $\\mathcal{V}$ is balanced. We claim that $\\mathcal{V}$ is also center-free. Indeed, if $P$ is a point such that $PA = PB = PC$ for some three distinct vertices $A, B$ and $C$, then $P$ is the circumcenter of the $n$-gon, which is not contained in $\\mathcal{V}$.\n\nNow suppose that $\\mathcal{V}$ is a balanced, center-free set of even cardinality $n$. We will derive a contradiction. For a pair of distinct points $A, B \\in \\mathcal{V}$, we say that a point $C \\in \\mathcal{V}$ is associated with the pair $\\{A, B\\}$ if $AC = BC$. Since there are $\\frac{n(n-1)}{2}$ pairs of points, there exists a point $P \\in \\mathcal{V}$ which is associated with at least $\\left\\lceil \\frac{n(n-1)}{2} / n \\right\\rceil = \\frac{n}{2}$ pairs. Note that none of these $\\frac{n}{2}$ pairs can contain $P$, so that the union of these $\\frac{n}{2}$ pairs consists of at most $n-1$ points. Hence there exist two such pairs that share a point. Let these two pairs be $\\{A, B\\}$ and $\\{A, C\\}$. Then $PA = PB = PC$, which is a contradiction.",
"topic": "Geometry",
"subtopic": "Plane Geometry"
},
{
"id": 32006,
"subject": "Mathematics (Multi-modal)",
"question": "Consider an infinite sequence $a_{1}, a_{2}, \\ldots$ of positive integers with $a_{i} \\leqslant 2015$ for all $i \\geqslant 1$. Suppose that for any two distinct indices $i$ and $j$ we have $i+a_{i} \\neq j+a_{j}$.\nProve that there exist two positive integers $b$ and $N$ such that\n$$\n\\left|\\sum_{i=m+1}^{n}\\left(a_{i}-b\\right)\\right| \\leqslant 1007^{2}\n$$\nwhenever $n>m \\geqslant N$.",
"options": [],
"answer": "Detailed solution",
"solution": "We visualize the set of positive integers as a sequence of points. For each $n$ we draw an arrow emerging from $n$ that points to $n+a_{n}$; so the length of this arrow is $a_{n}$. Due to the condition that $m+a_{m} \\neq n+a_{n}$ for $m \\neq n$, each positive integer receives at most one arrow. There are some positive integers, such as 1, that receive no arrows; these will be referred to as starting points in the sequel. When one starts at any of the starting points and keeps following the arrows, one is led to an infinite path, called its ray, that visits a strictly increasing sequence of positive integers. Since the length of any arrow is at most 2015, such a ray, say with starting point $s$, meets every interval of the form $[n, n+2014]$ with $n \\geqslant s$ at least once.\n\nSuppose for the sake of contradiction that there would be at least 2016 starting points. Then we could take an integer $n$ that is larger than the first 2016 starting points. But now the interval $[n, n+2014]$ must be met by at least 2016 rays in distinct points, which is absurd. We have thereby shown that the number $b$ of starting points satisfies $1 \\leqslant b \\leqslant 2015$. Let $N$ denote any integer that is larger than all starting points. We contend that $b$ and $N$ are as required.\n\nTo see this, let any two integers $m$ and $n$ with $n>m \\geqslant N$ be given. The sum $\\sum_{i=m+1}^{n} a_{i}$ gives the total length of the arrows emerging from $m+1, \\ldots, n$. Taken together, these arrows form $b$ subpaths of our rays, some of which may be empty. Now on each ray we look at the first number that is larger than $m$; let $x_{1}, \\ldots, x_{b}$ denote these numbers, and let $y_{1}, \\ldots, y_{b}$ enumerate in corresponding order the numbers defined similarly with respect to $n$. Then the list of differences $y_{1}-x_{1}, \\ldots, y_{b}-x_{b}$ consists of the lengths of these paths and possibly some zeros corresponding to empty paths. Consequently, we obtain\n$$\n\\sum_{i=m+1}^{n} a_{i}=\\sum_{j=1}^{b}\\left(y_{j}-x_{j}\\right)\n$$\nwhence\n$$\n\\sum_{i=m+1}^{n}\\left(a_{i}-b\\right)=\\sum_{j=1}^{b}\\left(y_{j}-n\\right)-\\sum_{j=1}^{b}\\left(x_{j}-m\\right)\n$$\nNow each of the $b$ rays meets the interval $[m+1, m+2015]$ at some point and thus $x_{1}- m, \\ldots, x_{b}-m$ are $b$ distinct members of the set $\\{1,2, \\ldots, 2015\\}$. Moreover, since $m+1$ is not a starting point, it must belong to some ray; so 1 has to appear among these numbers, wherefore\n$$\n1+\\sum_{j=1}^{b-1}(j+1) \\leqslant \\sum_{j=1}^{b}\\left(x_{j}-m\\right) \\leqslant 1+\\sum_{j=1}^{b-1}(2016-b+j)\n$$\nThe same argument applied to $n$ and $y_{1}, \\ldots, y_{b}$ yields\n$$\n1+\\sum_{j=1}^{b-1}(j+1) \\leqslant \\sum_{j=1}^{b}\\left(y_{j}-n\\right) \\leqslant 1+\\sum_{j=1}^{b-1}(2016-b+j)\n$$\nSo altogether we get\n$$\n\\begin{gathered}\n\\left|\\sum_{i=m+1}^{n}\\left(a_{i}-b\\right)\\right| \\leqslant \\sum_{j=1}^{b-1}((2016-b+j)-(j+1))=(b-1)(2015-b) \\\\\n\\leqslant\\left(\\frac{(b-1)+(2015-b)}{2}\\right)^{2}=1007^{2}\n\\end{gathered}\n$$\nas desired.\n\n\nSolution 2:\n\nSet $s_{n}=n+a_{n}$ for all positive integers $n$. By our assumptions, we have\n$$\nn+1 \\leqslant s_{n} \\leqslant n+2015\n$$\nfor all $n \\in \\mathbb{Z}_{>0}$. The members of the sequence $s_{1}, s_{2}, \\ldots$ are distinct. We shall investigate the set\n$$\nM=\\mathbb{Z}_{>0} \\backslash\\left\\{s_{1}, s_{2}, \\ldots\\right\\}\n$$\nClaim. At most 2015 numbers belong to $M$.\n\nProof. Otherwise let $m_{1}