第一試波蘭數(shù)學(xué)奧林匹克試題及解答

　　第一試波蘭數(shù)學(xué)奧林匹克試題及解答

　　1設(shè)為正整數(shù)，證明：所有與互質(zhì)且不超過的自然數(shù)的立方和是的倍數(shù)。2在銳角三角形中，點(diǎn)是邊上一點(diǎn)，使得。證明：。3已知正實(shí)數(shù)的和等于1，證明：。4圓周上的點(diǎn)都被染上了某三種顏色中的一種，證明：在這個圓周上存在三個點(diǎn)，它們是某個等腰三角形的頂點(diǎn)，且它們同色。5求所有的正整數(shù)對（），使得與都是完全立方數(shù)。6點(diǎn)是內(nèi)部或邊界上一點(diǎn)，點(diǎn)分別是點(diǎn)在邊上的垂足，證明：的充要條件是點(diǎn)在邊上。7證明：對任意正整數(shù)，和每一個實(shí)數(shù)，存在實(shí)數(shù)，使得。8關(guān)于非負(fù)整數(shù)的函數(shù)定義如下：對任意；對。證明：對均有。9設(shè)為給定的自然數(shù)，且，證明：是一個完全平方數(shù)。10設(shè)是三維空間中彼此垂直的三個單位向量，設(shè)是過點(diǎn)的一個平面，分別是在平面上的投影。對任意平面，求數(shù)構(gòu)成的集合。11設(shè)為正整數(shù)，是具有下述性質(zhì)的個自然數(shù)構(gòu)成的集合：中任意個元素中，必有兩個數(shù)，使得其中一個是另一個的倍數(shù)。證明：中存在個數(shù)，使得對，均有。12點(diǎn)分別是銳角三角形的邊上的點(diǎn)，的外接圓交于一點(diǎn)，證明：若，則為三角形的三條高。解答或提示1利用結(jié)論：若，則，將與配對即可證明此題。2記，則，利用正弦定理可知，，，從而，要證的式子等價于，最后一式是顯然的。3注意到，，所以，，故。于是，我們有：。即：。結(jié)合，可知命題成立。4可以證明：該圓周的內(nèi)接正十三邊形的13個頂點(diǎn)中，必有同色的三個點(diǎn)，它們是一個等腰三角形的頂點(diǎn)。5設(shè)是滿足條件的正整數(shù)對，不失一般性，設(shè)，則：，故，這表明，將之代入，可知是一個完全立方數(shù)，從而，是一個完全立方數(shù)。設(shè)，展開可知，于是。注意到：，故或，分別求解，可知只能是，進(jìn)而。所求數(shù)對。6利用勾股定理易證：等價于。7任給，及，令待定，則：（1）注意到，對給定的，有，而（1）式右邊是關(guān)于的連續(xù)函數(shù)（這里為常數(shù)），并且，當(dāng)時，（1）式右邊。所以，存在，使得（1）式成立。于是，令，這里使（1）成立，并且，則為滿足條件的實(shí)數(shù)。綜不可知，命題成立。8構(gòu)造函數(shù)，使。定義。注意到，由的定義，可知；并且，當(dāng)時，有：這表明，與具有相同的初始值和遞推關(guān)系式。而由題中的條件及遞推式，可右對任意，唯一確定，所以，。利用的定義，易知，故命題獲證。9令，即，視為關(guān)于的一元二次方程，可知為一個完全平方數(shù)，設(shè)，則，若，由為完全平方數(shù)，可知為完全平方數(shù)；若，由，可知，進(jìn)而為偶數(shù)，結(jié)合，可知為偶數(shù)，故，當(dāng)然，，于是，這導(dǎo)致，進(jìn)而為完全平方數(shù)，所以為完全平方數(shù)，綜上可知，總有為完全平方數(shù)。10所求的集合為，即數(shù).此題等價于證明：四面體中，若兩兩垂直，則直線與平面所成角的余弦的平方和為常數(shù)（注：這個常數(shù)等于2）。這是一個不難的常規(guī)立體幾何問題。11對任意個自然數(shù)，若對，均有，則稱（）為一條鏈稱為該鏈的首元，為鏈長。對中的每一個元素，考慮取自的以為首元的鏈中最長的鏈，記此鏈的長度為，則中必有一個數(shù)不小于。事實(shí)上，若對，均有，則中必有個數(shù)相等，不失一般性，設(shè)，則由的性質(zhì)，可知必有一個數(shù)為另一個數(shù)的倍數(shù)，不妨設(shè)，則將置于以為首元的那條最長鏈，我們得到一條長為的，以為首元的鏈，而這與矛盾。從而，中必有一個數(shù)不小于。利用上述結(jié)論，不妨設(shè)，則中存在個數(shù)，使得對均有。于是，令，則即為中滿足條件的個數(shù)。12先證一個引理。引理任給一個三角形和，滿足，且則：。引理的證明作一個三角形，使∽，且，。則：故，即，所以，。下面分二步來證明原題。第一步證。先證，若，不妨設(shè)，則。利用條件及引理，可知：與中，有；和中，有；與中，也有。于是，矛盾。所以，，而。故。所以，同理還可證。第二步證明三點(diǎn)共線，從而為的垂心。設(shè)的外心分別為，并設(shè)它們的外接圓半徑分別為分別是與的交點(diǎn)。由條件及，可知∽故。利用正弦定理，可知故，同理，于是，，即為的外心。由的定義，可知，所以，分別為的中點(diǎn)（注意，這里用到為的外心），結(jié)合為的外心，可知為的垂心，故。結(jié)合為的中點(diǎn)，故∥，從而，故共線。