Shortlist 2025, N5¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : India
Concepts : Invariants et monovariants · Valuations p-adiques et lemme LTE · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
Solution officielle : Shortlist officielle 2025 (avec solutions), section N5 (livret PDF)
Énoncé¶
The sequence of triples of positive integers \((a_0, b_0, c_0), (a_1, b_1, c_1), \ldots, (a_{2025}, b_{2025}, c_{2025})\) satisfies
for \(0 \leq i \leq 2024\).
Determine the smallest possible value of \(a_{2025}\).
Here \(\gcd(x, y)\) denotes the greatest common divisor of integers \(x\) and \(y\).
Indices : les idées clés
- Homogénéité : \(F(ka, kb, kc) = kF(a, b, c)\), car \(\gcd(kb, kc) = k\gcd(b, c)\).
- Invariants et monovariants : selon le nombre de termes pairs du triplet, le triplet devient entièrement pair au bout d'au plus trois étapes ; la valuation \(w_i\) croît d'au moins \(1\) toutes les trois étapes.
- Valuations p-adiques : \(w_i = \nu_2(\gcd(a_i, b_i, c_i))\) et \(2^{w_{2025}} \mid a_{2025}\).
- Divisibilité et PGCD : \(\gcd(b_i, c_i) \geq \gcd(a_i, b_i, c_i) \geq 2^{w_i}\) minore chaque accroissement \(a_{i+1} - a_i\) ; on somme ces minorations.
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2025 (une solution et une remarque).
Réponse : la plus petite valeur possible de \(a_{2025}\) est \(3 \cdot 2^{2025/3} = 3 \cdot 2^{675}\).
Solution¶
Construction. Prenons \((a_0, b_0, c_0) = (3, 5, 6)\). Une récurrence immédiate montre que, pour tout entier \(0 \leq k \leq 674\),
de sorte que \(a_{2025} = 3 \cdot 2^{675}\). Il reste à montrer que tout triplet initial donne \(a_{2025} \geq 3 \cdot 2^{675}\).
Notations. Pour des entiers strictement positifs \(a, b, c\), posons
de sorte que \((a_{i+1}, b_{i+1}, c_{i+1}) = F(a_i, b_i, c_i)\) pour \(0 \leq i \leq 2024\).
Pour tous entiers strictement positifs \(b, c, k\), on a \(\gcd(kb, kc) = k \gcd(b, c)\). Donc \(f(ka, kb, kc) = kf(a, b, c)\) et \(F(ka, kb, kc) = kF(a, b, c)\).
Parité. Disons qu'un triplet d'entiers strictement positifs est \(m\)-pair s'il contient exactement \(m\) nombres pairs. Comme \(F(2a, 2b, 2c) = 2F(a, b, c)\), si \((a, b, c)\) est \(3\)-pair, alors \(F(a, b, c)\) l'est aussi. On vérifie aussi directement que :
- si \((a, b, c)\) est \(0\)-pair, alors \(F(a, b, c)\) est \(3\)-pair ;
- si \((a, b, c)\) est \(1\)-pair, alors \(F(a, b, c)\) est \(2\)-pair ;
- si \((a, b, c)\) est \(2\)-pair, alors \(F(a, b, c)\) est \(0\)-pair.
Ainsi, pour tous \(a, b, c\), le triplet \(F^{(3)}(a, b, c) = F(F(F(a, b, c)))\) est \(3\)-pair (invariant de parité).
Une valuation qui croît. Soit \(w_i\) le plus grand entier \(n\) tel que \(2^n \mid \gcd(a_i, b_i, c_i)\), c'est-à-dire \(w_i = \nu_2(\gcd(a_i, b_i, c_i))\) (valuation 2-adique). En particulier \(\gcd(a_i, b_i, c_i) \geq 2^{w_i}\). Écrivons \((a_i, b_i, c_i) = 2^{w_i}(a_i', b_i', c_i')\) avec \(a_i', b_i', c_i'\) entiers strictement positifs. Alors \((a_{i+1}, b_{i+1}, c_{i+1}) = 2^{w_i} F(a_i', b_i', c_i')\), donc \(w_{i+1} \geq w_i\) pour tout \(i\). De plus \(w_{i+3} > w_i\), car \((a_{i+3}, b_{i+3}, c_{i+3}) = 2^{w_i} F^{(3)}(a_i', b_i', c_i')\) et \(F^{(3)}(a_i', b_i', c_i')\) est \(3\)-pair.
Comme \(w_{i+1} \geq w_i\), \(w_{i+3} > w_i\) et \(w_0 \geq 0\), les entiers \(w_0, w_1, w_2\) sont au moins \(0\), puis \(w_3, w_4, w_5\) au moins \(1\), et en général \(w_{3k}, w_{3k+1}, w_{3k+2}\) sont tous au moins \(k\).
Minoration. On a alors
Comme \(2^{w_{2025}} \mid a_{2025}\) et \(w_{2025} \geq 675\), on a \(2^{675} \mid a_{2025}\). Avec \(a_{2025} \geq a_0 + 3 \cdot 2^{675} - 3 > 2 \cdot 2^{675}\), cela donne \(a_{2025} \geq 3 \cdot 2^{675}\), comme annoncé. \(\blacksquare\)
Remarques¶
Remarque 1 (trouver la construction). La minoration aide à deviner la construction : on veut que \(a_0 = 3\) soit le plus petit terme, avec exactement un nombre pair parmi \(b_0\) et \(c_0\). Le triplet de départ \((3, 4, 9)\) convient aussi.