2011 AIME II Problema 14

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14.

Hay NN permutaciones (a1,a2,…,a30)(a_1, a_2, \ldots, a_{30}) de 1,1, 2,2, …,\ldots, 3030 tales que para m∈{2,3,5},m \in \{2, 3, 5\}, mm divide an+m−ana_{n+m} - a_n para todos los enteros nn con 1≤n<n+m≤30.1 \le n \lt n + m \le 30. Halla el residuo cuando NN se divide entre 1000.1000.
There are NN permutations (a1,a2,…,a30)(a_1, a_2, \ldots, a_{30}) of 1,1, 2,2, …,\ldots, 3030 such that for m∈{2,3,5},m \in \{2, 3, 5\}, mm divides an+m−ana_{n+m} - a_n for all integers nn with 1≤n<n+m≤30.1 \le n \lt n + m \le 30. Find the remainder when NN is divided by 1000.1000.
Respuesta: 440
Conceptos:Teorema chino del restoaritmética modularpermutaciones
Nivel de dificultad: 3270
Pista pequeña:
Las condiciones dicen que an mod ma_n \bmod m depende solo de n mod m,n \bmod m, para cada m=2,m = 2, 3,3, y 55.
The conditions say that an mod ma_n \bmod m depends only on n mod m,n \bmod m, for each of m=2,m = 2, 3,3, and 55
Pista grande:
Por el teorema chino del resto, tanto las posiciones como los valores corresponden a ternas de residuos módulo 2,2, 3,3, y 5;5; una permutación válida es exactamente una elección de una permutación de residuos para cada módulo.
By CRT, positions and values both correspond to triples of residues mod 2,2, 3,3, 5;5; a valid permutation is exactly a choice of one residue permutation for each modulus
Solución:
Para cada m∈{2,3,5},m \in \{2, 3, 5\}, la condición an+m≡an(modm)a_{n+m} \equiv a_n \pmod{m} significa que el residuo de ana_n módulo mm depende solo de n mod m,n \bmod m, definiendo una aplicación σm\sigma_m de residuos a residuos. Cada clase de residuos de posiciones tiene 30m\frac{30}{m} miembros, y lo mismo cada clase de residuos de valores; si σm\sigma_m enviara dos clases de posiciones a la misma clase de valores, los 30m\frac{30}{m} valores de esa clase tendrían que llenar 60m\frac{60}{m} posiciones, lo cual es imposible. Así que cada σm\sigma_m es una permutación de los residuos módulo m.m.
Recíprocamente, por el teorema chino del resto cada posición n∈{1,…,30}n \in \{1, \ldots, 30\} corresponde a una única tripleta (n mod 2, n mod 3, n mod 5),(n \bmod 2,\, n \bmod 3,\, n \bmod 5), y lo mismo para los valores. Cualquier elección de permutaciones (σ2,σ3,σ5)(\sigma_2, \sigma_3, \sigma_5) determina, por lo tanto, una única permutación válida de 1,…,30,1, \ldots, 30, que envía la tripleta de posición a la tripleta de valor prescrita.
Por lo tanto N=2!⋅3!⋅5!=1440,N = 2! \cdot 3! \cdot 5! = 1440, y el residuo al dividir entre 10001000 es 440.440.
For each m∈{2,3,5},m \in \{2, 3, 5\}, the condition an+m≡an(modm)a_{n+m} \equiv a_n \pmod{m} means the residue of ana_n modulo mm depends only on n mod m,n \bmod m, defining a map σm\sigma_m from residues to residues. Each residue class of positions has 30m\frac{30}{m} members, and so does each residue class of values; if σm\sigma_m sent two position classes to the same value class, that class’s 30m\frac{30}{m} values would have to fill 60m\frac{60}{m} positions, which is impossible. So each σm\sigma_m is a permutation of the residues modulo m.m.
Conversely, by the Chinese remainder theorem each position n∈{1,…,30}n \in \{1, \ldots, 30\} corresponds to a unique triple (n mod 2, n mod 3, n mod 5),(n \bmod 2,\, n \bmod 3,\, n \bmod 5), and likewise for values. Any choice of permutations (σ2,σ3,σ5)(\sigma_2, \sigma_3, \sigma_5) therefore determines a unique valid permutation of 1,…,30,1, \ldots, 30, sending the position triple to the prescribed value triple.
Hence N=2!⋅3!⋅5!=1440,N = 2! \cdot 3! \cdot 5! = 1440, and the remainder upon division by 10001000 is 440.440.
Problema 13#13
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