2002 AIME I 第 14 题

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14.

一个由不同正整数组成的集合 S\mathcal{S} 具有如下性质:对每个整数 xx,只要它属于 S\mathcal{S},删去 xx 后,S\mathcal{S} 中剩余元素的算术平均数都是整数。已知 11 属于 S\mathcal{S},且 20022002 是 S\mathcal{S} 的最大元素。集合 S\mathcal{S} 最多可以有多少个元素?

A set S\mathcal{S} of distinct positive integers has the following property: for every integer xx in S,\mathcal{S}, the arithmetic mean of the set of values obtained by deleting xx from S\mathcal{S} is an integer. Given that 11 belongs to S\mathcal{S} and that 20022002 is the largest element of S,\mathcal{S}, what is the greatest number of elements that S\mathcal{S} can have?

答案:30
知识点:模运算平均数极端原理
难度评级:2920
小提示:

若总和为 SS、元素个数为 nn,则每个 S−xn−1\frac{S - x}{n - 1} 都是整数,所以所有元素模 n−1n - 1 同余。

If SS is the sum and nn the size, every S−xn−1\frac{S - x}{n - 1} is an integer, so all elements are congruent mod n−1n - 1

大提示:

由于 11 和 20022002 都在集合中,n−1n - 1 整除 20012001;而 nn 个不同的这样的元素还迫使 (n−1)2+1≤2002(n - 1)^2 + 1 \le 2002。

With 11 and 20022002 in the set, n−1n - 1 divides 2001,2001, and nn distinct such elements force (n−1)2+1≤2002(n - 1)^2 + 1 \le 2002

解答:

设 S\mathcal{S} 有 nn 个元素,总和为 SS。条件说明 S−xn−1\frac{S - x}{n - 1} 对每个 x∈Sx \in \mathcal{S} 都是整数,这意味着每个元素都与 SS 模 n−1n - 1 同余。特别地,所有元素彼此同余;又因为 1∈S1 \in \mathcal{S},每个元素都是 11 加上 n−1n - 1 的某个倍数。

于是 2002≡1(modn−1)2002 \equiv 1 \pmod{n - 1},所以 n−1n - 1 整除 2001=3⋅23⋅292001 = 3 \cdot 23 \cdot 29。此外,nn 个不同元素从 11 到 20022002 之间,彼此间距是 n−1n - 1 的倍数,所以 2002≥1+(n−1)22002 \ge 1 + (n - 1)^2,从而 n−1≤44n - 1 \le 44。20012001 中不超过 4444 的最大因数是 2929,所以 n≤30n \le 30。

三十个元素可以达到:取 2929 个数 1,30,59,…,8131, 30, 59, \ldots, 813,再加上 20022002。它们全都 ≡1(mod29)\equiv 1 \pmod{29},且 3030 个数的总和 ≡30≡1(mod29)\equiv 30 \equiv 1 \pmod{29},所以删去任一元素后的平均数都是整数。答案是 3030。

Let S\mathcal{S} have nn elements with sum S.S. The condition says S−xn−1\frac{S - x}{n - 1} is an integer for every x∈S,x \in \mathcal{S}, which means every element is congruent to SS modulo n−1.n - 1. In particular all elements are congruent to each other, and since 1∈S,1 \in \mathcal{S}, every element is 11 more than a multiple of n−1.n - 1.

Then 2002≡1(modn−1),2002 \equiv 1 \pmod{n - 1}, so n−1n - 1 divides 2001=3⋅23⋅29.2001 = 3 \cdot 23 \cdot 29. Moreover the nn distinct elements run from 11 up to 20022002 in steps that are multiples of n−1,n - 1, so 2002≥1+(n−1)2,2002 \ge 1 + (n - 1)^2, forcing n−1≤44.n - 1 \le 44. The largest divisor of 20012001 that is at most 4444 is 29,29, so n≤30.n \le 30.

Thirty is attainable: take the 2929 numbers 1,30,59,…,8131, 30, 59, \ldots, 813 together with 2002.2002. All are ≡1(mod29),\equiv 1 \pmod{29}, and the sum of all 3030 is ≡30≡1(mod29),\equiv 30 \equiv 1 \pmod{29}, so every deleted mean is an integer. The answer is 30.30.

第 13 题#13
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