home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 January / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicjanuary1994.iso / answers / puzzles / archive / competition / part5 < prev    next >
Text File  |  1993-08-17  |  23KB  |  561 lines

  1. Newsgroups: rec.puzzles,news.answers,rec.answers
  2. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!gatech!europa.eng.gtefsd.com!uunet!questrel!chris
  3. From: chris@questrel.com (Chris Cole)
  4. Subject: rec.puzzles Archive (competition), part 10 of 35
  5. Message-ID: <puzzles/archive/competition/part5_745653851@questrel.com>
  6. Followup-To: rec.puzzles
  7. Summary: This is part of an archive of questions
  8.  and answers that may be of interest to
  9.  puzzle enthusiasts.
  10.  Part 1 contains the index to the archive.
  11.  Read the rec.puzzles FAQ for more information.
  12. Sender: chris@questrel.com (Chris Cole)
  13. Reply-To: archive-comment@questrel.com
  14. Organization: Questrel, Inc.
  15. References: <puzzles/archive/Instructions_745653851@questrel.com>
  16. Date: Wed, 18 Aug 1993 06:05:00 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  19. Lines: 539
  20. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:25008 news.answers:11528 rec.answers:1928
  21.  
  22. Archive-name: puzzles/archive/competition/part5
  23. Last-modified: 17 Aug 1993
  24. Version: 4
  25.  
  26.  
  27. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1992.p <==
  28. Problem A1
  29.  
  30. Prove that f(n) = 1 - n is the only integer-valued function defined on
  31. the integers that satisfies the following conditions.
  32. (i) f(f(n)) = n, for all integers n;
  33. (ii) f(f(n + 2) + 2) = n for all integers n;
  34. (iii) f(0) = 1.
  35.  
  36.  
  37. Problem A2
  38.  
  39. Define C(alpha) to be the coefficient of x^1992 in the power series
  40. expansion about x = 0 of (1 + x)^alpha. Evaluate
  41.  
  42. \int_0^1  C(-y-1) ( 1/(y+1) + 1/(y+2) + 1/(y+3) + ... + 1/(y+1992) )  dy.
  43.  
  44.  
  45. Problem A3
  46.  
  47. For a given positive integer m, find all triples (n,x,y) of positive
  48. integers, with n relatively prime to m, which satisfy (x^2 + y^2)^m = (xy)^n.
  49.  
  50.  
  51. Problem A4
  52.  
  53. Let f be an infinitely differentiable real-valued function defined on
  54. the real numbers. If
  55.  
  56. f(1/n) = n^2/(n^2 + 1), n = 1,2,3,...,
  57.  
  58. compute the values of the derivatives f^(k)(0), k = 1,2,3,... .
  59.  
  60.  
  61. Problem A5
  62.  
  63. For each positive integer n, let
  64.  
  65. a_n = {  0 if the number of 1's in the binary representation of n is even,
  66.          1 if the number of 1's in the binary representation of n is odd.
  67.  
  68. Show that there do not exist positive integers k and m such that
  69.  
  70. a_{k+j} = a_{k+m+j} = a_{k+2m+j},  for 0 <= j <= m - 1.
  71.  
  72.  
  73. Problem A6
  74.  
  75. Four points are chosen at random on the surface of a sphere. What is the
  76. probability that the center of the sphere lies inside the tetrahedron
  77. whose vertices are at the four points? (It is understood that each point
  78. is independently chosen relative to a uniform distribution on the sphere.)
  79.  
  80.  
  81. Problem B1
  82.  
  83. Let S be a set of n distinct real numbers. Let A_S be the set of numbers
  84. that occur as averages of two distinct elements of S. For a given n >= 2,
  85. what is the smallest possible number of distinct elements in A_S?
  86.  
  87.  
  88. Problem B2
  89.  
  90. For nonnegative integers n and k, define Q(n,k) to be the coefficient of
  91. x^k in the expansion of (1+x+x^2+x^3)^n. Prove that
  92.  
  93. Q(n,k) = \sum_{j=0}^n {n \choose j} {n \choose k - 2j},
  94.  
  95. where {a \choose b} is the standard binomial coefficient. (Reminder: For
  96. integers a and b with a >= 0, {a \choose b} = a!/b!(a-b)! for 0 <= b <= a,
  97. and {a \choose b} = 0 otherwise.)
  98.  
  99.  
  100. Problem B3
  101.  
  102. For any pair (x,y) of real numbers, a sequence (a_n(x,y))_{n>=0} is
  103. defined as follows:
  104.  
  105. a_0(x,y) = x
  106. a_{n+1}(x,y) = ( (a_n(x,y))^2 + y^2 ) / 2, for all n >= 0.
  107.  
  108. Find the area of the region  { (x,y) | (a_n(x,y))_{n>=0} converges }.
  109.  
  110.  
  111. Problem B4
  112.  
  113. Let p(x) be a nonzero polynomial of degree less than 1992 having no
  114. nonconstant factor in common with x^3 - x. Let
  115.  
  116. ( d^1992 / dx^1992 ) ( p(x) / x^3 - x )  =  f(x) / g(x)
  117.  
  118. for polynomials f(x) and g(x). Find the smallest possible degree of f(x).
  119.  
  120.  
  121. Problem B5
  122.  
  123. Let D_n denote the value of the (n-1) by (n-1) determinant
  124.  
  125. | 3 1 1 1 ...  1  |
  126. | 1 4 1 1 ...  1  |
  127. | 1 1 5 1 ...  1  |
  128. | 1 1 1 6 ...  1  |
  129. | . . . . ...  .  |
  130. | 1 1 1 1 ... n+1 |
  131.  
  132. Is the set {D_n/n!}_{n >= 2} bounded?
  133.  
  134.  
  135. Problem B6
  136.  
  137. Let M be a set of real n by n matrices such that
  138. (i) I \in M, where I is the n by n identity matrix;
  139. (ii) if A \in M and B \in M, then either AB \in M or -AB \in M, but not both;
  140. (iii) if A \in M and B \in M, then either AB = BA or AB = -BA;
  141. (iv) if A \in M and A \noteq I, there is at least one B \in M such that
  142.      AB = -BA.
  143.  
  144. Prove that M contains at most n^2 matrices.
  145.  
  146. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1992.s <==
  147. Now the unofficial solutions. Thanks to Noam Elkies for the B6 solution;
  148. thanks also to Peter Akemann, Greg John, and Peter Montgomery.
  149.  
  150. The Putnam exam deserves criticism this year for an exceptional number
  151. of typos and poorly worded problems. How can someone taking the Putnam
  152. be sure that his solutions will be graded carefully, if the exam itself
  153. shows sloppy typography, grammar, and style?
  154.  
  155.  
  156. Problem A1
  157.  
  158. Prove that f(n) = 1 - n is the only integer-valued function defined on
  159. the integers that satisfies the following conditions.
  160. (i) f(f(n)) = n, for all integers n;
  161. (ii) f(f(n + 2) + 2) = n for all integers n;
  162. (iii) f(0) = 1.
  163.  
  164. (The comma in (i) is wrong. Either ``conditions.'' should be
  165. ``conditions:'' or the semicolons should be periods. Little things...)
  166.  
  167. Solution: Certainly if f(n) = 1 - n then (i), (ii), and (iii) hold.
  168. Conversely, say (i), (ii), and (iii) hold. We show that f(k) = 1 - k
  169. and f(1 - k) = k for every k >= 0. For k = 0 and 1 we have f(0) = 1 and
  170. f(1) = f(f(0)) = 0. For k >= 2, by induction we have f(k - 2) = 3 - k
  171. and f(3 - k) = k - 2. Note that f(n + 2) + 2 = f(f(f(n + 2) + 2)) = f(n).
  172. So f(k) = f(k - 2) - 2 = 1 - k and f(1 - k) = f(3 - k) + 2 = k as desired.
  173. As k and 1 - k for k >= 1 cover the integers, we are done.
  174.  
  175.  
  176. Problem A2
  177.  
  178. Define C(alpha) to be the coefficient of x^1992 in the power series
  179. expansion about x = 0 of (1 + x)^alpha. Evaluate
  180.  
  181. \int_0^1  C(-y-1) ( 1/(y+1) + 1/(y+2) + 1/(y+3) + ... + 1/(y+1992) )  dy.
  182.  
  183. Solution: C(alpha) is given by the usual binomial coefficient formula
  184. {alpha \choose 1992} = \alpha (\alpha - 1) ... (\alpha - 1991) / 1992!.
  185. Hence C(-y-1) = (-y-1)(-y-2)...(-y-1992)/1992! = (y+1)...(y+1992)/1992!.
  186. Set f(y) = (y+1)(y+2)...(y+1992). Now f has logarithmic derivative
  187. f'/f = ( 1/(y+1) + 1/(y+2) + ... + 1/(y+1992) ). Hence our integral
  188. equals \int_0^1 f(y)/1992! f'(y)/f(y) dy = \int_0^1 f'(y) dy/1992! =
  189. (f(1) - f(0))/1992! = (1993! - 1992!)/1992! = 1993 - 1 = 1992.
  190.  
  191.  
  192. Problem A3
  193.  
  194. For a given positive integer m, find all triples (n,x,y) of positive
  195. integers, with n relatively prime to m, which satisfy (x^2 + y^2)^m = (xy)^n.
  196.  
  197. Solution: Certainly xy < x^2 + y^2 so m < n. Put n = m + k, k > 0.
  198. Let d be the greatest common divisor of x and y. Say x = ds, y = dt.
  199. Now d^{2m}(s^2 + t^2)^m = d^{2n}(st)^n, so (s^2 + t^2)^m = d^{2k}(st)^n.
  200. If a prime p divides s then p divides d^{2k}(st)^n = (s^2 + t^2)^m,
  201. so p must divide t. But s and t are relatively prime. Hence s = 1.
  202. Similarly t = 1. So d^{2k} = 2^m. Hence d is a power of 2, say d = 2^j,
  203. and m = 2jk. As n = m + k = 2jk + k we see that k is a common factor of
  204. m and n. Thus k = 1. So m = 2j, n = 2j + 1, x = y = d = 2^j. If m is odd
  205. then there are no solutions; if m is even then the only possible solution
  206. is (m + 1,2^{m/2},2^{m/2}). This does satisfy the given conditions.
  207.  
  208.  
  209. Problem A4
  210.  
  211. Let f be an infinitely differentiable real-valued function defined on
  212. the real numbers. If
  213.  
  214. f(1/n) = n^2/(n^2 + 1), n = 1,2,3,...,
  215.  
  216. compute the values of the derivatives f^(k)(0), k = 1,2,3,... .
  217.  
  218. (``Let f be a foo. If bar, compute blah.'' Does this mean that one need
  219. only answer the question if ``bar'' happens to be true? May one choose
  220. his favorite f, such as f(x) = x, observe that it does not satisfy ``bar'',
  221. and [successfully] answer the question without computing anything?
  222. ``If ..., compute'' should be ``Assume ... . Compute''.)
  223.  
  224. Solution: We first observe that the function g(x) = 1/(1 + x^2) satisfies
  225. all the known properties of f: it is infinitely differentiable, and
  226. g(1/n) = n^2/(n^2 + 1). From the Taylor expansion of g around 0,
  227. g(x) = 1 - x^2 + x^4 - x^6 + ..., we see that g^(k)(0) is 0 for k odd,
  228. (-1)^{k/2}k! for k even.
  229.  
  230. Can f differ from g in its derivatives at 0? The difference h = f - g
  231. is an infinitely differentiable function with roots at 1/n for every
  232. positive n. We show that any such function has all derivatives 0 at 0.
  233. Suppose not. Take the least k >= 0 for which h^(k)(0) is nonzero.
  234. Without loss of generality say it is positive. By continuity h^(k) is
  235. positive in an open interval U around 0. Let S be the set of positive
  236. elements of U. Now h^(k-1) is increasing on S, and by minimality of k
  237. we have h^(k-1)(0) = 0, so h^(k-1) is positive on S. Then h^(k-2) is
  238. increasing on S, and h^(k-2)(0) = 0, so h^(k-2) is positive on S. In
  239. general h^j is positive on S for j down from k to 0 by induction. In
  240. particular h is positive on S, but this is impossible, as 1/n is in S
  241. for n sufficiently large.
  242.  
  243. Thus f has all the same derivatives as g: f^(k)(0) is 0 for k odd,
  244. (-1)^{k/2}k! for k even.
  245.  
  246. Alternative solution:
  247. Let g(x) = 1/(1 + x^2).  We may compute the derivatives as before, and again
  248. the problem reduces to showing that all derivatives of f(x)-g(x) = h(x) 
  249. vanish at 0.
  250.  
  251. By continuity, h^(0) vanishes at 0.  We now proceed by induction using the
  252. nth mean value theorem, which states that h(x) = h(0) + h'(0) + ... + 
  253. h^(n-1)(0)/(n-1)! + h^(n)(\theta)/n!, where 0 <= \theta <= x.  By induction,
  254. the derivatives up to the (n-1)-th vanish at 0, and if we take x = 1, 1/2, 
  255. ... we get h^(n)(\theta_n) = 0, where 0 <= \theta_n <= 1/n.  Hence \{\theta_n\}
  256. tends to 0.  But h is infinitely differentiable, so h^n is infinitely
  257. differentiable and hence continuous.  It follows that h^(n)(0) = 0.
  258.  
  259. Yet another solution:
  260. Consider only n divided by l.c.m/(1,2,\ldots,k).
  261. f^(k)(0)   = \lim_{n\rightarrow\infty}
  262.    ( \sum_{i=0}^k {k\choose i}(-1)^{i+1} f(i/n)  ) / (1/n)^k
  263.            = \lim_{n\rightarrow\infty}
  264.    ( \sum_{i=0}^k {k\choose i}(-1)^{i+1} g(i/n)  ) / (1/n)^k
  265. =g^{k}(0)= \cos(\pi k/2) k!
  266.  
  267. Or replace n by n*l.c.m.(1,2,\ldots,k) in the above and allow n to be any  
  268. positive integer.
  269.  
  270. Problem A5
  271.  
  272. For each positive integer n, let
  273.  
  274. a_n = {  0 if the number of 1's in the binary representation of n is even,
  275.          1 if the number of 1's in the binary representation of n is odd.
  276.  
  277. Show that there do not exist positive integers k and m such that
  278.  
  279. a_{k+j} = a_{k+m+j} = a_{k+2m+j},  for 0 <= j <= m - 1.
  280.  
  281. (Is every student supposed to know what the writer means by ``the binary
  282. representation of n''? Anyway, this problem is well known in some circles.
  283. I don't think Putnam writers should copy problems.)
  284.  
  285. Solution: Let us suppose the opposite. Pick m minimal such that, for
  286. some k, a_{k+j} = a_{k+m+j} for every 0 <= j <= 2m - 1. The minimality
  287. guarantees that m is odd. (Indeed, say m = 2m'. If k = 2k' is even,
  288. then put j = 2j' for 0 <= j' <= m - 1 = 2m' - 1. Now a_n = a_{2n} so
  289. a_{k'+j'} = a_{k+j} = a_{k+m+j} = a_{k'+m'+j'} as desired. If on the
  290. other hand k = 2k' - 1 is odd, then put j = 2j' + 1 for 0 <= j' <= 2m' - 1.
  291. Now a_{k'+j'} = a_{k+j} = a_{k+m+j} = a_{k'+m'+j'} as desired.)
  292.  
  293. We cannot have m = 1. Indeed, if a_k = a_{k+1} = a_{k+2}, then we have
  294. a_{2n} = a_{2n+1} for n = k/2 if k is even or n = (k+1)/2 if k is odd.
  295. But a_{2n} + a_{2n+1} = 1 always. Hence m is an odd number greater than 1.
  296.  
  297. Define b_n = (a_n + a_{n-1}) mod 2. For 1 <= j <= 2m - 1 we have
  298. b_{k+j} = b_{k+m+j}. This range of j covers at least 5 values; we can
  299. certainly choose j so as to make k+j equal to 2 mod 4. Then k+m+j is
  300. odd. But b_n is 0 when n is 2 mod 4, and b_n is 1 when n is odd, so we
  301. have a contradiction.
  302.  
  303.  
  304. Problem A6
  305.  
  306. Four points are chosen at random on the surface of a sphere. What is the
  307. probability that the center of the sphere lies inside the tetrahedron
  308. whose vertices are at the four points? (It is understood that each point
  309. is independently chosen relative to a uniform distribution on the sphere.)
  310.  
  311. Solution: Pick three points A, B, C, and consider the spherical triangle
  312. T defined by those points. The center of the sphere lies in the convex
  313. hull of A, B, C, and another point P if and only if it lies in the convex
  314. hull of T and P. This happens if and only if P is antipodal to T. So the
  315. desired probability is the expected fraction of the sphere's surface area
  316. which is covered by T.
  317.  
  318. Denote the antipode to a point P by P'. We consider the eight spherical
  319. triangles ABC, A'BC, AB'C, A'B'C, ABC', A'BC', AB'C', A'B'C'. Denote
  320. these by T_0, T_1, T_2, T_3, T_4, T_5, T_6, T_7; we regard each T_i
  321. as a function of the random variables A, B, C. There is an automorphism
  322. of our probability space defined by (A,B,C) -> (A,B,C'). Hence T_0 and
  323. T_4 have the same distribution, and similarly T_1 and T_5, T_2 and T_6,
  324. and T_3 and T_7. Of course the same applies to B, so that T_0 and T_2,
  325. T_1 and T_3, T_4 and T_6, and T_5 and T_7 all have the same distribution.
  326. Finally T_0 and T_1, T_2 and T_3, T_4 and T_5, and T_6 and T_7 all have
  327. the same distribution. We conclude that all the T_i have exactly the
  328. same distribution. In particular the fractional area A_i of T_i has the
  329. same distribution for all i.
  330.  
  331. On the other hand the total fractional area of all the T_i is exactly
  332. 1: the eight triangles cover the sphere exactly once. Hence each T_i
  333. has expected fractional area 1/8. In particular, T_0, the probability we
  334. wanted, has expected value 1/8.
  335.  
  336. Note that this proof does not require the full strength of uniform
  337. distribution in the usual measure; nor does it require independence
  338. between all the variables. It requires only certain automorphisms of
  339. the probability space.
  340.  
  341.  
  342. Problem B1
  343.  
  344. Let S be a set of n distinct real numbers. Let A_S be the set of numbers
  345. that occur as averages of two distinct elements of S. For a given n >= 2,
  346. what is the smallest possible number of distinct elements in A_S?
  347.  
  348. (``Smallest possible number of distinct elements in A_S''? Who talks
  349. about ``the number of _distinct_ elements'' of a set? How about just
  350. ``the number of elements''? Or ``the size''? Aargh. The quantifiers
  351. here are completely out of whack: n has to be fixed [not ``given'']
  352. before anything else, and it's not immediately clear that ``smallest
  353. possible'' refers to ``the minimum over all S''. Proposed rewrite:
  354. ``Fix n >= 2. For any set S of n real numbers, let A_S be the set of
  355. averages of two distinct elements of S. What is the minimum, over all
  356. S, of the size of A_S?'')
  357.  
  358. Solution: We put the elements of S in order: s_1 < s_2 < ... < s_n.
  359. We have s_1 + s_2 < s_1 + s_3 < ... < s_1 + s_{n-1} < s_1 + s_n <
  360. s_2 + s_n < s_3 + s_n < ... < s_{n-1} + s_n. Hence the 2n - 3 averages
  361. (s_i + s_j)/2, i < j, with i = 1 or j = n, are all distinct. So A_S
  362. has size at least 2n - 3. This is achieved if, for instance,
  363. S = {1,2,...,n}.
  364.  
  365.  
  366. Problem B2
  367.  
  368. For nonnegative integers n and k, define Q(n,k) to be the coefficient of
  369. x^k in the expansion of (1+x+x^2+x^3)^n. Prove that
  370.  
  371. Q(n,k) = \sum_{j=0}^n {n \choose j} {n \choose k - 2j},
  372.  
  373. where {a \choose b} is the standard binomial coefficient. (Reminder: For
  374. integers a and b with a >= 0, {a \choose b} = a!/b!(a-b)! for 0 <= b <= a,
  375. and {a \choose b} = 0 otherwise.)
  376.  
  377. Solution: (1+x^2)(1+x) = 1+x+x^2+x^3, so (1+x^2)^n(1+x)^n = (1+x+x^2+x^3)^n,
  378. so (\sum {n\choose j} x^{2j}) (\sum {n\choose m} x^m) = \sum Q(n,k)x^k.
  379. The coefficient of x^k on the left is the sum of {n\choose j}{n\choose m}
  380. over all j,m with m + 2j = k, i.e., \sum_j {n\choose j}{n\choose k-2j}.
  381.  
  382.  
  383. Problem B3
  384.  
  385. For any pair (x,y) of real numbers, a sequence (a_n(x,y))_{n>=0} is
  386. defined as follows:
  387.  
  388. a_0(x,y) = x
  389. a_{n+1}(x,y) = ( (a_n(x,y))^2 + y^2 ) / 2, for all n >= 0.
  390.  
  391. Find the area of the region  { (x,y) | (a_n(x,y))_{n>=0} converges }.
  392.  
  393. (The parentheses in (a_n(x,y))^2 are confusing, as the writer also
  394. uses parentheses to denote the entire sequence of a_n.)
  395.  
  396. Solution: Note that (x,y) and (x,-y) produce the same sequence, and
  397. (-x,y) and (x,y) produce the same sequence after the first step. So
  398. we will restrict attention to nonnegative x and y and quadruple our
  399. final answer.
  400.  
  401. Fix x and y. Set f(z) = ( z^2 + y^2 ) / 2, so that a_n(x,y) =
  402. f(a_{n-1}(x,y)). Now f'(z) = z, so f is increasing on the positive reals.
  403. So (a_n(x,y))_n is monotone---either increasing, decreasing, or constant.
  404. We consider several (non-exclusive) possibilities.
  405.  
  406. Case 1. Say y > 1. Then f(z) > (1 + z^2)/2 + (y - 1) >= z + (y - 1), so
  407. a_n(x,y) increases by at least y - 1 at each step.
  408.  
  409. Case 2. Say f(x) < x. Then we have 0 < a_n(x,y) < a_{n-1}(x,y) <= x for
  410. every n. (Indeed, for n = 1 we have 0 < f(x) < x. For n >= 2 we have
  411. a_{n-1}(x,y) < a_{n-2}(x,y) by induction. So a_n(x,y) < a_{n-1}(x,y),
  412. as f is increasing.) As (a_n(x,y))_n is decreasing and bounded below,
  413. it converges.
  414.  
  415. Case 3. Say f(x) > x > 1. Define g(z) = f(z) - z, so that g(x) > 0.
  416. We have g'(z) = z - 1, so g is increasing past 1. Now a_n(x,y) >=
  417. x + ng(x). (Indeed, for n = 1 we have a_1(x,y) = f(x) = x + g(x).
  418. For n >= 2 set a = a_{n-1}(x,y). We have a >= x + (n-1)g(x) > x by
  419. induction. So g(a) > g(x), and a_n(x,y) = f(a) = a + g(a) > a + g(x) >=
  420. x + ng(x) as desired.) So a_n increases without bound.
  421.  
  422. Case 4. Say x < 1, y < 1. Then f(x) < f(1) < (1 + 1)/2 = 1. Similarly
  423. a_n(x,y) < 1 for every n. As (a_n(x,y))_n is bounded and monotone, it
  424. converges.
  425.  
  426. Let's put this all together. For y > 1 the sequence diverges. For y < 1
  427. and x < 1 the sequence does converge. For y < 1 and x > 1, the sequence
  428. converges if f(x) < x, and diverges if f(x) > x. The points we miss in
  429. this tally---y = 1, x = 1, f(x) = x---have zero total area.
  430.  
  431. The condition f(x) < x is equivalent to (x-1)^2 + y^2 < 1, which
  432. describes a quarter-circle of radius 1 in the region y > 0, x > 1. Thus
  433. the total area for positive x and y is 1 (for the square y < 1, x < 1)
  434. plus pi/4 (for the quarter-circle). The final answer is quadruple this,
  435. or 4 + pi.
  436.  
  437.  
  438. Problem B4
  439.  
  440. Let p(x) be a nonzero polynomial of degree less than 1992 having no
  441. nonconstant factor in common with x^3 - x. Let
  442.  
  443. ( d^1992 / dx^1992 ) ( p(x) / (x^3 - x) )  =  f(x) / g(x)
  444.  
  445. for polynomials f(x) and g(x). Find the smallest possible degree of f(x).
  446.  
  447. (The second sentence is backwards---``let'' should be followed
  448. immediately by the variable being introduced. Would you say ``Let
  449. 2 equal x + y for integers x and y''?)
  450.  
  451. Solution: First divide p(x) by x^3 - x: p(x) = (x^3 - x)q(x) + r(x),
  452. with r of degree at most 2. Now f(x)/g(x) = D^1992 (q(x) + r(x)/(x^3-x))
  453. = D^1992 (r(x)/(x^3-x)), as q has degree less than 1992; here we write
  454. D for d/dx. We expand r(x)/(x^3-x) in partial fractions as -r(0)/x +
  455. r(1)/2(x-1) + r(-1)/2(x+1). Now the 1992nd derivative of this is
  456. Cr(0)/x^1993 + Cr(1)/(x-1)^1993 + Cr(-1)/(x+1)^1993 for a certain
  457. nonzero constant C which we don't care about. This then equals
  458. (Cr(0)(x^2-1)^1993 + Cr(1)(x^2+x)^1993 + Cr(-1)(x^2-x)^1993)/(x^3-x)^1993.
  459.  
  460. The numerator and denominator here are coprime, for none of x, x-1, x+1
  461. divide the numerator. (If, for instance, x divided the numerator, then
  462. r(0) would have to be 0, but then p(x) would have a factor of x in
  463. common with x^3-x, contrary to hypothesis.) So f(x) is a multiple of
  464. the numerator and g(x) is a multiple of the denominator. Our question
  465. is thus ``What is the smallest possible degree of the polynomial P =
  466. U(x^2-1)^1993 + V(x^2+x)^1993 + W(x^2-x)^1993, over all U, V, W which
  467. can arise as U=Cr(0), V=Cr(1), W=Cr(-1)?''
  468.  
  469. P has degree at most 2.1993. Its 2.1993 coefficient is U + V + W. Its
  470. 2.1993-1 coefficient is 1993V - 1993W. Its 2.1993-2 coefficient is
  471. -1993U + 1993.(1992/2)V + 1993.(1992/2)W. If all three of these are
  472. zero then by linear algebra all of U, V, W are zero, which is not
  473. possible. Hence P, and thus also f, has degree at least 2.1993-2, or
  474. double 1992. This is achieved if, for instance, p(x) = r(x) = 3x^2 - 2,
  475. so that r(0)+r(1)+r(-1)=-2+1+1=0 and r(1)=r(-1).
  476.  
  477. (The degree restriction on p in this problem seems somewhat strange,
  478. though it simplifies the solution slightly. Noam Elkies notes that
  479. the ``nonzero constant C'' above will be zero---so that f will be 0---
  480. if we're working over a field with characteristic dividing 1992!.
  481. Should the problem have explicitly identified the ground field as
  482. the reals?)
  483.  
  484.  
  485. Problem B5
  486.  
  487. Let D_n denote the value of the (n-1) by (n-1) determinant
  488.  
  489. | 3 1 1 1 ...  1  |
  490. | 1 4 1 1 ...  1  |
  491. | 1 1 5 1 ...  1  |
  492. | 1 1 1 6 ...  1  |
  493. | . . . . ...  .  |
  494. | 1 1 1 1 ... n+1 |
  495.  
  496. Is the set {D_n/n!}_{n >= 2} bounded?
  497.  
  498. (``The value of the determinant''? Why not just ``the determinant''?
  499. Why talk about ``the set'' when it's much more common to talk about
  500. ``the sequence''? And where's the period on the first sentence?)
  501.  
  502. Solution: No, it is the harmonic series.
  503.  
  504. We subtract the first row from each of the other rows, to get a matrix
  505. 3 1 1 1 ... 1, -2 3 0 0 ... 0, -2 0 4 0 ... 0, ..., -2 0 0 0 ... n.
  506. Then we subtract 1/3 of the new second row from the first, 1/4 of the
  507. new third row from the first, and so on, to kill all the 1's along the
  508. top. We are left with a triangular matrix, with diagonal X 3 4 ... n,
  509. where X equals 3 - (-2)/3 - (-2)/4 - ... - (-2)/n =
  510. 3 + 2/3 + 2/4 + ... + 2/n = 2(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 + ... + 1/n). Thus
  511. the determinant is n! times 1 + 1/2 + 1/3 + ... + 1/n. Q. E. D.
  512.  
  513.  
  514. Problem B6
  515.  
  516. Let M be a set of real n by n matrices such that
  517. (i) I \in M, where I is the n by n identity matrix;
  518. (ii) if A \in M and B \in M, then either AB \in M or -AB \in M, but not both;
  519. (iii) if A \in M and B \in M, then either AB = BA or AB = -BA;
  520. (iv) if A \in M and A \noteq I, there is at least one B \in M such that
  521.      AB = -BA.
  522.  
  523. Prove that M contains at most n^2 matrices.
  524.  
  525. Solution (courtesy Noam Elkies): Fix A in M. By (iii) AB = eBA, where e
  526. is either +1 or -1, for any B in M. Then AAB = AeBA = eABA = e^2BAA = BAA.
  527. So A^2 commutes with any B in M. Of course the same is true of -A^2. On
  528. the other hand by (ii) A^2 or -A^2 is in M. Pick C = A^2 or C = -A^2 so
  529. that C is in M.
  530.  
  531. If C is not I, then by (iv) we can find a B in M such that CB = -BC. But
  532. we know CB = BC for any B in M. Thus CB = 0, which is impossible, as by
  533. (ii) no two elements of M can multiply to 0.
  534.  
  535. We conclude that C must be I. In other words, for any A in M, either A^2
  536. or -A^2 must be I.
  537.  
  538. Now suppose M has more than n^2 matrices. The space of real n by n
  539. matrices has dimension n^2, so we can find a nontrivial linear relation
  540. \sum_{D in M} x_D D = 0. Pick such a relation with the smallest possible
  541. number of nonzero x_D. We will construct a smaller relation, obtaining a
  542. contradiction and finishing the proof.
  543.  
  544. Pick an A with x_A nonzero, and multiply by it: \sum_{D in M} x_D DA = 0.
  545. In light of (ii) the matrices DA run over M modulo sign. Hence we have a
  546. new relation \sum_{E in M} y_E E = 0. The point of this transformation is
  547. that now the coefficient y_I of I is +- x_A, which is nonzero.
  548.  
  549. Pick any C other than I such that y_C is nonzero. By (iv) pick B in M
  550. such that CB = -BC. Multiply \sum_{E in M} y_E E = 0 by B on both the left
  551. and the right, and add: \sum_{E in M} y_E (BE + EB) = 0. Now by (iii) we
  552. have BE + EB = (1 + e_{BE})BE, where e_{BE} is either +1 or -1. In
  553. particular e_{BI} = 1 (clear) and e_{BC} = -1 (by construction of B).
  554. So we get \sum_{E in M} y_E (1 + e_{BE}) BE = 0, where at least one term
  555. does not disappear and at least one term does disappear. As before the
  556. matrices BE run over M modulo sign. So we have a relation with fewer
  557. terms as desired.
  558.  
  559.  
  560. ---Dan Bernstein, brnstnd@ocf.berkeley.edu, 7 December 1992
  561.