2010 AMC 12B 第 21 题

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21.

设 a>0a\gt0,且 P(x)P(x) 是一个整系数多项式,满足 P(1)=P(3)=P(5)=P(7)=a, \begin{aligned} &P(1)=P(3)=P(5) \\ &\quad {}=P(7)=a\text{,} \end{aligned} 以及 P(2)=P(4)=P(6)=P(8)=−a。 \begin{aligned} &P(2)=P(4)=P(6) \\ &\quad {}=P(8)=-a\text{。} \end{aligned} 求 aa 的最小可能值。
Let a>0,a\gt0, and let P(x)P(x) be a polynomial with integer coefficients such that P(1)=P(3)=P(5)=P(7)=a, \begin{aligned} &P(1)=P(3)=P(5) \\ &\quad {}=P(7)=a, \end{aligned} and P(2)=P(4)=P(6)=P(8)=−a. \begin{aligned} &P(2)=P(4)=P(6) \\ &\quad {}=P(8)=-a. \end{aligned} What is the smallest possible value of a?a?
105105
315315
945945
7!7!
8!8!
答案:B
知识点:多项式整除性最小公倍数
小提示:
对某个整系数多项式 QQ 有 P(x)−a=(x−1)(x−3)P(x)-a=(x-1)(x-3) ⋅(x−5)(x−7)Q(x)\cdot(x-5)(x-7)Q(x)
P(x)−a=(x−1)(x−3)P(x)-a=(x-1)(x-3) ⋅(x−5)(x−7)Q(x)\cdot(x-5)(x-7)Q(x) for some integer polynomial QQ
大提示:
在 x=2,4,6,8x=2,4,6,8 处代入,迫使 2a2a 是 lcm⁡(15,9,105)\operatorname{lcm}(15,9,105) 的倍数
Evaluate at x=2,4,6,8x=2,4,6,8 to force 2a2a to be divisible by lcm⁡(15,9,105)\operatorname{lcm}(15,9,105)
解答:
因为 1,3,5,71, 3, 5, 7 是 P(x)−aP(x)-a 的根,可写作 P(x)−a=(x−1)(x−3)P(x)-a=(x-1)(x-3) ⋅(x−5)(x−7)Q(x)\cdot(x-5)(x-7)Q(x),其中 QQ 的系数都是整数。
在 x=2,4,6,8x=2, 4, 6, 8 处代入(此时 P=−aP=-a)得到 −2a=−15 Q(2)=9 Q(4)=−15 Q(6)=105 Q(8)。 \begin{aligned} -2a &=-15\,Q(2) \\ &=9\,Q(4) \\ &=-15\,Q(6) \\ &=105\,Q(8) \end{aligned}\text{。}
因此 15,915, 9 和 105105 都整除 2a2a,所以 lcm⁡(15,9,105)=315\operatorname{lcm}(15,9,105)=315 整除 2a2a。因为 315315 是奇数,aa 是 315315 的倍数,所以 a≥315a\ge315。
为了达到这个下界,取 F(x)=(x−1)(x−3)⋅(x−5)(x−7),Q(x)=42+(x−2)(x−6)⋅(60−8x),P(x)=315+F(x)Q(x)。 \begin{aligned} F(x)&=(x-1)(x-3) \\ &\quad\cdot(x-5)(x-7), \\ Q(x)&=42+(x-2)(x-6) \\ &\quad\cdot(60-8x), \\ P(x)&=315+F(x)Q(x) \end{aligned}\text{。} 这个整系数多项式在 1,3,5,71,3,5,7 处的取值都是 315315。在 2,42,4 处,数对 (F(x),Q(x))(F(x),Q(x)) 分别为 (−15,42),(9,−70)(-15,42),(9,-70);在 6,86,8 处则分别为 (−15,42),(105,−6)(-15,42),(105,-6)。因此每次都有 F(x)Q(x)=−630F(x)Q(x)=-630,从而 P(x)=−315P(x)=-315。所以这个下界确实可以达到。
因此,正确答案是 B。
Since 1,3,5,71, 3, 5, 7 are roots of P(x)−a,P(x)-a, write P(x)−a=(x−1)(x−3)P(x)-a=(x-1)(x-3) ⋅(x−5)(x−7)Q(x)\cdot(x-5)(x-7)Q(x) with QQ having integer coefficients.
Evaluating at x=2,4,6,8x=2, 4, 6, 8 (where P=−aP=-a) gives −2a=−15 Q(2)=9 Q(4)=−15 Q(6)=105 Q(8). \begin{aligned} -2a &=-15\,Q(2) \\ &=9\,Q(4) \\ &=-15\,Q(6) \\ &=105\,Q(8). \end{aligned}
So 15,9,15, 9, and 105105 all divide 2a,2a, hence lcm⁡(15,9,105)=315\operatorname{lcm}(15,9,105)=315 divides 2a.2a. Since 315315 is odd, aa is divisible by 315,315, so a≥315.a\ge315.
To attain the bound, let F(x)=(x−1)(x−3)⋅(x−5)(x−7),Q(x)=42+(x−2)(x−6)⋅(60−8x),P(x)=315+F(x)Q(x). \begin{aligned} F(x)&=(x-1)(x-3) \\ &\quad\cdot(x-5)(x-7), \\ Q(x)&=42+(x-2)(x-6) \\ &\quad\cdot(60-8x), \\ P(x)&=315+F(x)Q(x). \end{aligned} This integer polynomial equals 315315 at 1,3,5,7.1,3,5,7. At 2,4,2,4, the pairs (F(x),Q(x))(F(x),Q(x)) are (−15,42),(9,−70),(-15,42),(9,-70), and at 6,86,8 they are (−15,42),(105,−6).(-15,42),(105,-6). Thus F(x)Q(x)=−630F(x)Q(x)=-630 each time and P(x)=−315.P(x)=-315. Hence the bound is attainable.
Thus, the correct answer is B.
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