ORQN MFED CBAP2020年中国数学奥林匹克试题与解答(2020年1月11日)一、给定锐角三角形PBC ,PC PB ≠.设A ,D 分别是边PB ,PC 上的点,连接AC ,BD ,相交于点O. 过点O 分别作OE ⊥AB ,OF ⊥CD ,垂足分别为E ,F ,线段BC ,AD 的中点分别为M ,N .(1)若A ,B ,C ,D 四点共圆,求证:EM FN EN FM ⋅=⋅;(2)若 EM FN EN FM ⋅=⋅,是否一定有A ,B ,C ,D 四点共圆?证明你的结论. 解(1)设Q ,R 分别是OB ,OC 的中点,连接EQ ,MQ ,FR ,MR ,则11,22EQ OB RM MQ OC RF ====,又OQMR 是平行四边形, 所以OQM ORM ∠=∠, 由题设A ,B ,C ,D 四点共圆, 所以ABD ACD ∠=∠,于是22EQO ABD ACD FRO ∠=∠=∠=∠,所以EQM EQO OQM FRO ORM FRM ∠=∠+∠=∠+∠=∠, 故 EQM MRF ∆≅∆, 所以 EM =FM , 同理可得 EN =FN ,所以 EM FN EN FM ⋅=⋅. (2)答案是否定的.当AD ∥BC 时,由于B C ∠≠∠,所以A ,B ,C ,D 四点不共圆,但此时仍然有EM FN EN FM ⋅=⋅,证明如下:如图2所示,设S ,Q 分别是OA ,OB 的中点,连接ES ,EQ ,MQ ,NS ,则11,22NS OD EQ OB ==,所以NS ODEQ OB=. ① 又11,22ES OA MQ OC ==,所以ES OAMQ OC=. ② 而AD ∥BC ,所以OA ODOC OB=, ③ 由①,②,③得NS ESEQ MQ=. 因为 2NSE NSA ASE AOD AOE ∠=∠+∠=∠+∠,()(1802)EQM MQO OQE AOE EOB EOB ∠=∠+∠=∠+∠+︒-∠(180)2AOE EOB AOD AOE =∠+︒-∠=∠+∠, 即NSE EQM ∠=∠,所以NSE ∆~EQM ∆,故EN SE OAEM QM OC==(由②). 同理可得, FN OAFM OC =, 所以 EN FNEM FM=, 从而 EM FN EN FM ⋅=⋅.二、求所有的素数对(p ,q ),使得q p pq 55+.解:若pq |2,不妨设2=p ,则q q 55|22+,故255|+qq .由Fermat 小定理, 55|-qq ,得30|q ,即5,3,2=q .易验证素数对)2,2(不合要求,)3,2(,)5,2(合乎要求.若pq 为奇数且pq |5,不妨设5=p ,则qq 55|55+,故6255|1+-q q .当5=q 时素数对)5,5(合乎要求,当5≠q 时,由Fermat 小定理有15|1--q q ,故626|q .由于q 为奇素数,而626的奇素因子只有313,所以313=q .经检验素数对)313,5(合乎要求.若q p ,都不等于2和5,则有1155|--+q p pq ,故SO RQNFEDCBA P)(m od 05511p q p ≡+--. ①由Fermat 小定理,得 )(m od 151p p ≡- , ②故由①,②得)(m od 151p q -≡-. ③设)12(21-=-r p k,)12(21-=-s q l, 其中s r l k ,,,为正整数. 若l k ≤,则由②,③易知)(mod 1)1()5(5)5(1112121)12)(12(2)12(21)12(2p r r q s r s p s l k l k l -≡-≡==≡=----------,这与2≠p 矛盾!所以l k >.同理有l k <,矛盾!即此时不存在合乎要求的),(q p . 综上所述,所有满足题目要求的素数对),(q p 为)3,2(,)2,3(,)5,2(,)2,5(,)5,5(,)313,5(及)5,313(.三、设m ,n 是给定的整数,n m <<4,1221+n A A A Λ是一个正2n +1边形,{}1221,,,+=n A A A P Λ.求顶点属于P 且恰有两个内角是锐角的凸m 边形的个数.解 先证一个引理:顶点在P 中的凸m 边形至多有两个锐角,且有两个锐角时,这两个锐角必相邻.事实上,设这个凸m 边形为m P P P Λ21,只考虑至少有一个锐角的情况,此时不妨设221π<∠P P P m ,则)13(2122-≤≤>∠-=∠m j P P P P P P m m j ππ,更有)13(211-≤≤>∠+-m j P P P j j j π.而321P P P ∠+11P P P m m -∠>π,故其中至多一个为锐角,这就证明了引理. 由引理知,若凸m 边形中恰有两个内角是锐角,则它们对应的顶点相邻.在凸m 边形中,设顶点i A 与j A 为两个相邻顶点,且在这两个顶点处的内角均为锐角.设i A 与j A 的劣弧上包含了P 的r 条边(n r ≤≤1),这样的),(j i 在r 固定时恰有12+n 对.(1) 若凸m 边形的其余2-m 个顶点全在劣弧j i A A 上,而j i A A 劣弧上有1-r 个P 中的点,此时这2-m 个顶点的取法数为21--m r C .(2) 若凸m 边形的其余2-m 个顶点全在优弧j i A A 上,取i A ,j A 的对径点i B ,j B ,由于凸m 边形在顶点i A ,j A 处的内角为锐角,所以,其余的2-m 个顶点全在劣弧j i B B 上,而劣弧j i B B 上恰有r 个P 中的点,此时这2-m 个顶点的取法数为2-m rC .所以,满足题设的凸m 边形的个数为))()()(12()12()()12(11111111121211221∑∑∑∑∑==--+---=-=--=----+-+=⎪⎭⎫⎝⎛++=++nr nr m rm r m r m r n r m r n r m r nr m rm r C C C C n C C n CCn))(12(111--+++=m n m n C C n .四、给定整数3≥n ,实数n a a a ,,,21Λ满足 1min 1=-≤<≤j i nj i a a .求∑=nk k a 13的最小值.解 不妨设n a a a <<<Λ21,则对n k ≤≤1,有k n a a a a k k n k n k 2111-+≥-≥++-+-,所以()∑∑=-+=+=nk kn knk ka a a 13131321()()()∑=-+-+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+=n k k n k kn k k n k a a a a a a 121211414321 ()∑∑==-+-+≥+≥n k nk kn k k n a a 13131218181. 当n 为奇数时,222113313)1(412221-=⋅⋅=-+∑∑-==n i k n n i nk . 当n 为偶数时,32113)12(221∑∑==-=-+n i nk i k n⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∑∑==21313)2(2ni n j i j)2(4122-=n n . 所以,当n 为奇数时,2213)1(321-≥∑=n a nk k,当n 为偶数时,)2(3212213-≥∑=n n a nk k,等号均在n i n i a i ,,2,1,21Λ=+-=时成立. 因此,∑=nk k a 13的最小值为22)1(321-n (n 为奇数),或者)2(32122-n n (n 为偶数). 五、凸n 边形P 中的每条边和每条对角线都被染为n 种颜色中的一种颜色.问:对怎样的n ,存在一种染色方式,使得对于这n 种颜色中的任何3种不同颜色,都能找到一个三角形,其顶点为多边形P 的顶点,且它的3条边分别被染为这3种颜色?解 当n 3≥为奇数时,存在合乎要求的染法;当n 4≥为偶数时,不存在所述的染法。