home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Info 1994 March / Internet Info CD-ROM (Walnut Creek) (March 1994).iso / answers / rec / puzzles / archive / competition / part4 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1993-08-18  |  55.0 KB  |  1,386 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 09 of 35
  5. Message-ID: <puzzles/archive/competition/part4_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 06:04:57 GMT
  17. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  18. Expires: Thu, 1 Sep 1994 06:04:11 GMT
  19. Lines: 1364
  20. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.puzzles:25004 news.answers:11524 rec.answers:1924
  21.  
  22. Archive-name: puzzles/archive/competition/part4
  23. Last-modified: 17 Aug 1993
  24. Version: 4
  25.  
  26.  
  27. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1987.p <==
  28. WILLIAM LOWELL PUTNAM MATHEMATICAL COMPETITION
  29.  
  30. FORTY EIGHTH ANNUAL   Saturday, December 5, 1987
  31.  
  32. Examination A;
  33.  
  34. Problem A-1
  35. ------- ---
  36.  
  37. Curves A, B, C, and D, are defined in the plane as follows:
  38.  
  39. A = { (x,y) : x^2 - y^2 = x/(x^2 + y^2) },
  40.  
  41. B = { (x,y) : 2xy + y/(x^2 + y^2) = 3 },
  42.  
  43. C = { (x,y) : x^3 - 3xy^2 + 3y = 1 },
  44.  
  45. D = { (x,y) : 3yx^2 - 3x - y^3 = 0 }.
  46.  
  47. Prove that the intersection of A and B is equal to the intersection of
  48. C and D.
  49.  
  50.  
  51. Problem A-2
  52. ------- ---
  53.  
  54. The sequence of digits
  55.  
  56. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 ...
  57.  
  58. is obtained by writing the positive integers in order.  If the 10^n th
  59. digit in this sequence occurs in the part of the sequence in which the
  60. m-digit numbers are placed, define f(n) to be m.  For example f(2) = 2
  61. because the 100th digit enters the sequence in the placement of the
  62. two-digit integer 55.  Find, with proof, f(1987).
  63.  
  64.  
  65. Problem A-3
  66. ------- ---
  67.  
  68. For all real x, the real valued function y = f(x) satisfies
  69.  
  70.         y'' - 2y' + y = 2e^x.
  71.  
  72. (a)  If f(x) > 0 for all real x, must f'(x) > 0 for all real x?  Explain.
  73.  
  74. (b)  If f'(x) > 0 for all real x, must f(x) > 0 for all real x?  Explain.
  75.  
  76.  
  77. Problem A-4
  78. ------- ---
  79.  
  80. Let P be a polynomial, with real coefficients, in three variables and F
  81. be a function of two variables such that
  82.  
  83.     P(ux,uy,uz) = u^2*F(y-x,z-x) for all real x,y,z,u,
  84.  
  85. and such that P(1,0,0) = 4, P(0,1,0) = 5, and P(0,0,1) = 6.  Also let
  86. A,B,C be complex numbers with P(A,B,C) = 0 and |B-A| = 10.  Find
  87. |C-A|.
  88.  
  89.  
  90. Problem A-5
  91. ------- ---
  92.  
  93.     ^
  94. Let G(x,y) = ( -y/(x^2 + 4y^2) , x/(x^2 + 4y^2), 0 ).  Prove or disprove
  95. that there is a vector-valued function
  96.  
  97.     ^
  98.     F(x,y,z) = ( M(x,y,z) , N(x,y,z) , P(x,y,z) )
  99.  
  100. with the following properties:
  101.  
  102.  
  103.     (1)  M,N,P have continuous partial derivatives for all
  104.            (x,y,z) <> (0,0,0) ;
  105.  
  106.               ^   ^
  107.     (2)  Curl F = 0 for all (x,y,z) <> (0,0,0) ;
  108.  
  109.          ^          ^
  110.     (3)  F(x,y,0) = G(x,y).
  111.  
  112.  
  113. Problem A-6
  114. ------- ---
  115.  
  116. For each positive integer n, let a(n) be the number of zeros in the
  117. base 3 representation of n.  For which positive real numbers x does
  118. the series
  119.  
  120.              inf
  121.             -----
  122.             \     x^a(n)
  123.              >    ------
  124.             /      n^3
  125.             -----
  126.             n = 1
  127.  
  128. converge?
  129. --
  130.  
  131.  
  132. Examination B;
  133.  
  134. Problem B-1
  135. ------- ---
  136.  
  137.      4/        (ln(9-x))^(1/2)  dx
  138. Evaluate  | --------------------------------- .
  139.      2/ (ln(9-x))^(1/2) + (ln(x+3))^(1/2)
  140.  
  141.  
  142. Problem B-2
  143. ------- ---
  144.  
  145. Let r, s, and t be integers with 0 =< r, 0 =< s, and r+s =< t.
  146.  
  147. Prove that
  148.  
  149.     ( s )     ( s )     ( s )           ( s )
  150.     ( 0 )     ( 1 )     ( 2 )           ( s )          t+1
  151.     ----- +  ------- + ------- + ... + ------- = ---------------- .
  152.     ( t )    (  t  )   (  t  )         (  t  )   ( t+1-s )( t-s )
  153.     ( r )    ( r+1 )   ( r+2 )         ( r+s )            (  r  )
  154.  
  155.  
  156.         ( n )                                  n(n-1)...(n+1-k)
  157. ( Note: ( k ) denotes the binomial coefficient ---------------- .)
  158.                                                 k(k-1)...3*2*1
  159.  
  160.  
  161. Problem B-3
  162. ------- ---
  163.  
  164. Let F be a field in which 1+1 <> 0.  Show that the set of solutions to
  165. the equation x^2 + y^2 = 1 with x and y in F is given by
  166.  
  167.                 (x,y) = (1,0)
  168.  
  169.                           r^2 - 1     2r
  170.             and (x,y) = ( ------- , ------- ),
  171.                           r^2 + 1   r^2 + 1
  172.  
  173. where r runs through the elements of F such that r^2 <> -1.
  174.  
  175.  
  176. Problem B-4
  177. ------- ---
  178.  
  179. Let ( x(1), y(1) ) = (0.8,0.6) and let
  180.  
  181.             x(n+1) = x(n)*cos(y(n)) - y(n)*sin(y(n))
  182.  
  183.         and y(n+1) = x(n)*sin(y(n)) + y(n)*cos(y(n))
  184.  
  185. for n = 1,2,3,...  .  For each of the limits as n --> infinity of
  186. x(n) and y(n), prove that the limit exists and find it or prove that
  187. the limit does not exist.
  188.  
  189.  
  190. Problem B-5
  191. ------- ---
  192.  
  193. Let O(n) be the n-dimensional zero vector (0,0,...,0).  Let M be a
  194. 2n x n matrix of complex numbers such that whenever
  195. ( z(1), z(2), ..., z(2n)*M = O(n), with complex z(i), not all zero,
  196. then at least one of the z(i) is not real.  Prove that for arbitrary
  197. real number r(1), r(2), ..., r(2n), there are complex numbers w(1),
  198. w(2), ..., w(n) such that
  199.  
  200.            (   ( w(1) ) )   ( r(1)  )
  201.            (   (  .   ) )   (   .   )
  202.         Re ( M*(  .   ) ) = (   .   )  .
  203.            (   (  .   ) )   (   .   )
  204.            (   ( w(n) ) )   ( r(2n) )
  205.  
  206. (Note:  If C is a matrix of complex numbers, Re(C) is the matrix whose
  207. entries are the real parts of entries of C.)
  208.  
  209.  
  210. Problem B-6
  211. ------- ---
  212.  
  213. Let F be the field of p^2 elements where p is an odd prime.  Suppose S
  214. is a set of (p^2-1)/2 distinct nonzero elements of F with the property
  215. that for each a <> 0 in F, exactly one of a and -a is in S.  Let N be
  216. the number of elements in the intersection of S with { 2a : a e S }.
  217. Prove that N is even.
  218. --
  219.  
  220. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1987.s <==
  221. Problem A-1
  222. ------- ---
  223.  
  224. Let z=x+i*y.  Then A and B are the real and imaginary parts of
  225. z^2=3i+1/z, and C, D are likewise Re and Im of z^3-3iz=1, and
  226. the two equations are plainly equivalent.  Alternatively, having
  227. seen this, we can formulate a solution that avoids explicitly
  228. invoking the complex numbers, starting with C=xA-yB, D=yA+xB.
  229.  
  230. Problem A-2
  231. ------- ---
  232.  
  233. Counting, we see that the numbers from 1 to n digits take
  234. up (10^n*(9n-1)+1)/9 spaces in the above sequence.  Hence we need
  235. to find the least n for which 10^n*(9n-1)+1 > 9*10^1987, but it
  236. is easy to see that n = 1984 is the minimum such.  Therefore
  237. f(1987) = 1984.
  238.  
  239. In general, I believe, f(n) = n + 1 - g(n), where g(n) equals
  240. the largest value of m such that (10^m-1)/9 + 1 =< n if n>1,
  241. and g(0) = g(1) is defined to be 0.
  242.  
  243. Hence, of course, g(n) = [log(9n-8)] if n>0.  Therefore
  244.  
  245.  
  246.         f(0) = 1,
  247.  
  248.         f(n) = n + 1 - [log(9n-8)] for n>0.
  249. Q.E.D.
  250.  
  251.  
  252. Problem A-3
  253. ------- ---
  254.  
  255. We have a differential equation, solve it.  The general solution is
  256.  
  257.         y = f(x) = e^x*(x^2 + a*x + b),
  258.  
  259. where a and b are arbitrary real constants.  Now use completing the
  260. square and the fact that e^x > 0 for all real x to deduce that
  261.  
  262.  
  263.     (1)  f(x) > 0 for all real x iff 4b > a^2.
  264.  
  265.     (2)  f'(x) > 0 for all real x iff 4b > a^2 + 4.
  266.  
  267.  
  268. It is now obvious that (2) ==> (1) but (1) /==> (2).
  269.  
  270. Q.E.D.
  271.  
  272. Problem A-4
  273. ------- ---
  274.  
  275. Setting x=0, u=1 we find F(y,z)=P(0,y,z) so F is a polynomial; keeping
  276. x=0 but varying u we find F(uy,uz)=u^2*F(y,z), so F is homogeneous of
  277. degree 2, i.e. of the form Ay^2+Byz+Cz^2, so
  278.         P(x,y,z)=R(y-x)^2+S(y-x)(z-x)+T(z-x)^2
  279. for some real R,S,T.  The three given values of P now specify three
  280. linear equations on R,S,T, easily solved to give (A,B,C)=(5,-7,6).
  281. If now P(A,B,C)=0 then (C-A)=r(B-A), r one of the two roots of
  282. 5-7r+6r^2.  This quadratic has negative discrminant (=-71) so its
  283. roots are complex conjugates; since their product is 5/6, each
  284. one has absolute value sqrt(5/6).  (Yes, you can also use the
  285. Quadratic Equation.)  So if B-A has absolute value 10, C-A must
  286. have absolute value 10*sqrt(5/6)=5*sqrt(30)/3.
  287.  
  288. Problem A-5
  289. ------- ---
  290.  
  291. There is no such F.  Proof: assume on the contrary that G extends
  292. to a curl-free vector field on R^3-{0}.  Then the integral of G
  293. around any closed path in R^3-{0} vanishes because such a path
  294. bounds some surface [algebraic topologists, read: because
  295. H^2(R^3-{0},Z)=0 :-) ].  But we easily see that the integral 
  296. of F around the closed path z=0, x^2+4y^2=1 (any closed path
  297. in the xy-plane that goes around the origin will do) is nonzero---
  298. contradiction.
  299.  
  300. Problem A-6
  301. ------- ---
  302.  
  303. For n>0 let
  304.  
  305. T(n) = x^a(n)/n^3    and     U(n) = T(3n) + T(3n+1) + T(3n+2)
  306.  
  307. and for k>=0 let
  308.  
  309. Z(k) = sum {n=3^k to 3^(k+1)-1} T(n)
  310.  
  311. We have
  312.  
  313. Z(k+1)    = sum {n=3^(k+1) to 3^(k+2)-1} T(n)
  314.     = sum {n=3^k to 3^(k+1)-1} [T(3n) + T(3n+1) + T(3n+2)]
  315.     = sum {n=3^k to 3^(k+1)-1} U(n)
  316.  
  317. Let us compare U(n) to T(n). We have a(3n)=a(n)+1 and a(3n+1)=a(3n+2)=a(n).
  318. Thus
  319.  
  320. U(n) = x^[a(n)+1]/(3n)^3 + x^a(n)/(3n+1)^3 + x^a(n)/(3n+2)^3
  321.  
  322. and so U(n) has as upper bound
  323.  
  324. x^a(n) * (x+2)/(3n)^3 = T(n) * (x+2)/27
  325.  
  326. and as lower bound
  327.  
  328. x^a(n) * (x+2)/(3n+2)^3 = T(n) * (x+2)/(3+2/n)^3
  329.  
  330. in other words U(n) = T(n) * (x+2)/(27+e(n)), where e(n)<(3+2/n)^3-27 tends to
  331. 0 when n tends to infinity. It follows then that
  332.  
  333. Z(k+1)= Z(k)*(x+2)/(27+f(k))
  334.  
  335. where f(k)<(3+2/3^k)^3-27 tends to 0 for n tending to infinity.
  336.  
  337. Now the series is the sum of all Z(k). Thus for x>25 we have Z(k+1)>Z(k) for k
  338. large enough, and the series diverges; for x<25 we have Z(k+1)< r * Z(k) (with
  339. r=(x+2)/27<1) for every k, and the series converges. For x=25 the series
  340. diverges too (I think so), because Z(k+1)/Z(k) tends to 1 for k tending to
  341. infinity.
  342.  
  343. Another proof:
  344.  
  345. I would say,for x<25.  Let S(m) be the sum above taken over 3^m <= n < 3^(m+1).
  346. Then for the n's in S(m), the base 3 representation of n has m+1 digits.
  347. Hence we can count the number of n's with a(n)=k as being the number
  348. of ways to choose a leading nonzero digit, times the number of ways
  349. to choose k positions out of the m other digits for the k zeroes, times
  350. the number of ways to choose nonzero digits for the m-k remaining positions,
  351. namely
  352.  
  353.   ( m )  m-k
  354. 2 (   ) 2   .
  355.   ( k )
  356.  
  357. Hence we have
  358.  
  359. 3^(m+1)-1                m
  360. -----                  -----
  361. \            a(n)      \        ( m )  m-k k
  362.  >          x      =    >     2 (   ) 2   x
  363. /                      /        ( k )
  364. -----                  -----
  365. n=3^m                   k=0
  366.  
  367.                             m
  368.                    = 2 (x+2)  .
  369.                                        m  -3m             m -3(m+1)
  370. Hence we can bound S(m) between 2 (x+2)  3     and 2 (x+2) 3       .
  371. It is then clear that the original sum converges just when
  372.  
  373.  inf
  374. -----
  375. \           m -3m
  376.  >     (x+2) 3                converges, or when x<25.
  377. /       
  378. -----
  379.  m=0
  380.  
  381. Problem B-1
  382. ------- ---
  383.  
  384. Write the integrand as
  385.  
  386.                      (ln(x+3))^(1/2)
  387.         1 - --------------------------------- .
  388.             (ln(9-x))^(1/2) + (ln(x+3))^(1/2)
  389.  
  390. Use the change of variables x = 6-t on the above and the fact that
  391. the two are equal to deduce that the original is equal to 1.
  392.  
  393. QED.
  394.  
  395. Problem B-3
  396. ------- ---
  397.  
  398. First note that the above values for x and y imply that
  399. x^2 + y^2 = 1.  On the other foot note that if x<>1 ,x^2 + y^2 = 1,
  400. and 2 <> 0, then (x,y) is of the required form, with r = y/(1-x).
  401. Also note that r^2 <> -1, since this would imply x = 1.
  402.  
  403. Derivation of r:  We want x = (r^2-1)/(r^2+1) ==> 1-x = 2/(r^2+1),
  404. and also y = 2r/(r^2+1) ==> 1-x = (2y)/(2r) if 2<>0.  Hence if
  405. 2<>0, r = y/(1-x).
  406.  
  407. The above statement is false in some cases if 1+1 = 0 in F.  For
  408. example, in Z(2) the solution (0,1) is not represented.
  409.  
  410. QED.
  411.  
  412. Problem B-4
  413. ------- ---
  414.  
  415. Observe that the vector (x(n+1), y(n+1)) is obtained from (x(n), y(n))
  416. by a rotation through an angle of y(n).  So if Theta(n) is the inclination
  417. of (x(n), y(n)), then for all n,
  418.  
  419.     Theta(n+1) = Theta(n) + y(n)
  420.  
  421. Furthermore, all vectors have the same length, namely that of (x1, y1),
  422. which is 1.  Therefore y(n) = sin (Theta(n)) and x(n) = cos (Theta(n)).
  423.  
  424. Thus the recursion formula becomes
  425.  
  426. (*)    Theta(n+1) = Theta(n) + sin (Theta(n))
  427.  
  428. Now 0 < Theta(1) < pi.  By induction 0 < sin(Theta(n)) = sin(pi - Theta(n))
  429. < pi - Theta(n), so 0 < Theta(n+1) < Theta(n) + (pi - Theta(n)) = pi.
  430.  
  431. Consequently, {Theta(n)} is an increasing sequence bounded above by pi, so
  432. it has a limit, Theta.  From (*) we get Theta = Theta + sin(Theta),
  433. so with Theta in the interval (0,pi], the solution is Theta = pi.
  434.  
  435. Thus lim (x(n),y(n)) = (cos(Theta), sin(Theta)) = (-1, 0).
  436.  
  437. Problem B-5
  438. ------- ---
  439.  
  440. First note that M has rank n, else its left nullspace N has C-dimension >n
  441. and so R-dimension >2n, and thus nontrivially intersects the R-codimension
  442. 2n subspace of vectors all of whose coordinates are real.  Thus the
  443. subspace V of C^(2n) spanned by M's columns has C-dimsension n and so
  444. R-dimension 2n, and to prove the R-linear map Re: V-->R^(2n) surjective,
  445. we need only prove it injective.  So assume on the contrary that v is
  446. a nonzero vector in V all of whose coordinates are purely imaginary,
  447. and let W be the orthogonal complement of <v>; this is a subspace of
  448. C^(2n) of C-dim. 2n-1 and R-dim. 4n-2 .  W contains N,
  449. which we've seen has R-dimension 2n; it also contains the
  450. orthogonal complement of <i*v> in R^(2n), which has R-dimension 2n-1.
  451. Since (2n)+(2n-1) > (4n-2), these two real subspaces of W intersect
  452. nontrivially, producing a nonzero real vector in N---contradiction.
  453. So Re: V-->R^(2n) indeed has zero kernel and cokernel, Q.E.D. .
  454.  
  455. Problem B-6
  456. ------- ---
  457.  
  458. Let P be the product of elements of S; then P'=2^|S|*P, the product of
  459. the elements of 2S, is either P or -P according to whether |2S-S| is
  460. even or odd.  (each element of 2S is either in S or in -S, so match
  461. the factors in the products for P and P'.)  But by Fermat's little
  462. theorem, 2^(p-1)=1, and since |S|=(p^2-1)/2=(p-1)*(p+1)/2 is a multiple
  463. of p-1, also 2^|S|=1 and P=P', Q.E.D. .
  464.  
  465. This solution--analogous to one of Gauss' proof of Quadratic
  466. Reciprocity--is undoubtedly what the proposers had in mind, and had
  467. it been the only solution, B-6 would be a difficult problem on a par
  468. with B-6 problems of previous years.  Unfortunately, just knowing
  469. that F* is a cyclic group of order |F|-1 for any finite field F,
  470. one can split F* into cosets of the subgroup generated by 2 and -1
  471. and produce a straightforward, albeit plodding and uninspired, proof.
  472. I wonder how many of the contestants' answers to B-6 went this way
  473. and how many found the intended solution.
  474.  
  475. Another proof:
  476.  
  477. Given such a set S, it is immediate to verify that for any a in S, if
  478. one deletes a and adjoins -a to obtain a new set S' then the number
  479. of elements in the intersection of S' and 2S' is congruent (modulo 2)
  480. to the number of elements in the intersection of S and 2S.  If S and
  481. S' are any two sets meeting the condition of this problem, then S can
  482. be changed to S' by repeating this operation several times.  So, it
  483. suffices to prove the result for any one set S meeting the condition of
  484. the problem.  A simple candidate for such an S is obtained by letting
  485. (u, v) be a basis for F over the field of p elements and letting S
  486. be the unions of the sets {au + bv: 1 <= u <= (p-1)/2, 0 <= b < p} and
  487. {bv: 0 <= b < (p-1)/2}.  An elementary counting argument completes the
  488. proof.
  489.  
  490. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1988.p <==
  491. Problem A-1: Let R be the region consisting of the points (x,y) of the
  492. cartesian plane satisfying both |x| - |y| <= 1 and |y| <= 1.  Sketch
  493. the region R and find its area.
  494.  
  495. Problem A-2: A not uncommon calculus mistake is to believe that the
  496. product rule for derivatives says that (fg)' = f'g'.  If f(x) =
  497. exp(x^2), determine, with proof, whether there exists an open interval
  498. (a,b) and a non-zero function g defined on (a,b) such that the wrong
  499. product rule is true for x in (a,b).
  500.  
  501. Problem A-3: Determine, with proof, the set of real numbers x for
  502. which  sum from n=1 to infinity of ((1/n)csc(1/n) - 1)^x  converges.
  503.  
  504. Problem A-4:
  505. (a) If every point on the plane is painted one of three colors, do
  506. there necessarily exist two points of the same color exactly one inch
  507. apart?
  508. (b) What if "three" is replaced by "nine"?
  509. Justify your answers.
  510.  
  511. Problem A-5: Prove that there exists a *unique* function f from the
  512. set R+ of positive real numbers to R+ such that
  513.     f(f(x)) = 6x - f(x)  and  f(x) > 0  for all x > 0.
  514.  
  515. Problem A-6: If a linear transformation A on an n-dimensional vector
  516. space has n + 1 eigenvectors such that any n of them are linearly
  517. independent, does it follow that A is a scalar multiple of the
  518. identity?  Prove your answer.
  519.  
  520. ---------------------------------------------------------------------------
  521.  
  522. Problem B-1: A *composite* (positive integer) is a product ab with a
  523. and b not necessarily distinct integers in {2,3,4,...}.  Show that
  524. every composite is expressible as xy + xz + yz + 1, with x, y, and z
  525. positive integers.
  526.  
  527. Problem B-2: Prove or disprove: If x and y are real numbers with y >= 0
  528. and y(y+1) <= (x+1)^2, then y(y-1) <= x^2.
  529.  
  530. Problem B-3: For every n in the set Z+ = {1,2,...} of positive
  531. integers, let r(n) be the minimum value of |c-d sqrt(3)| for all
  532. nonnegative integers c and d with c + d = n.  Find, with proof, the
  533. smallest positive real number g with r(n) <= g for all n in Z+.
  534.  
  535. Problem B-4: Prove that if  sum from n=1 to infinity a(n)  is a
  536. convergent series of positive real numbers, then so is
  537. sum from n=1 to infinity (a(n))^(n/(n+1)).
  538.  
  539. Problem B-5: For positive integers n, let M(n) be the 2n + 1 by 2n + 1
  540. skew-symmetric matrix for which each entry in the first n subdiagonals
  541. below the main diagonal is 1 and each of the remaining entries below
  542. the main diagonal is -1.  Find, with proof, the rank of M(n).
  543. (According to the definition the rank of a matrix is the largest k
  544. such that there is a k x k submatrix with non-zero determinant.)
  545.  
  546. One may note that M(1) = (  0 -1  1 ) and M(2) = (  0 -1 -1  1  1 )
  547.                          (  1  0 -1 )            (  1  0 -1 -1  1 )
  548.                          ( -1  1  0 )            (  1  1  0 -1 -1 )
  549.                                                  ( -1  1  1  0 -1 )
  550.                                                  ( -1 -1  1  1  0 )
  551.  
  552. Problem B-6: Prove that there exist an infinite number of ordered
  553. pairs (a,b) of integers such that for every positive integer t the
  554. number at + b is a triangular number if and only if t is a triangular
  555. number.  (The triangular numbers are the t(n) = n(n + 1)/2 with n in
  556. {0,1,2,...}.)
  557.  
  558. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1988.s <==
  559. %
  560. %  Layout
  561. %
  562. \def\layout{\hsize 150truemm  % 210mm - 1in * 2 for margins
  563.                 \vsize 246truemm  % 297mm - 1in * 2 for margins
  564.                 \advance \vsize by -24 pt
  565.                 \topskip=10pt plus 1 pt}
  566. \magnification=1200
  567. \layout
  568. \parindent=0pt
  569. \parskip=\medskipamount
  570. \newdimen\digitindent \digitindent=16truemm
  571. \newdimen\solindent \solindent=24truemm
  572. \newdimen\problemskip\newdimen\subproblemskip
  573. \problemskip=\bigskipamount \subproblemskip=\medskipamount
  574. \hoffset=\digitindent
  575. \def\problem #1 { \vskip \problemskip\hskip-\digitindent\hbox to\digitindent
  576.                   {\bf #1\hfill}\ignorespaces}
  577. \def\solution #1 { \vskip \problemskip\hskip-\solindent\hbox to\solindent
  578.                   {\bf #1\hfill}\ignorespaces}
  579. \def\notes #1 { \vskip \problemskip\hskip-\solindent\hbox to\solindent
  580.                   {\bf #1\hfill}\ignorespaces}
  581. \def\subproblem #1 {\vskip \subproblemskip\hskip-\digitindent
  582.                      \hbox to\digitindent{\hfill{\bf #1}\hfill}\ignorespaces}
  583. \def\endpage {\vfill\supereject\dosupereject}
  584. \headline={\headlinemacro}
  585. \footline={\hfil}
  586. \def\activeheadline{\hglue -\digitindent
  587.                      Chris Long, Rutgers University \hfill January 22, 1989}
  588. \let\headlinemacro=\activeheadline
  589. \advance \baselineskip by 6pt
  590. %
  591. % Aliases
  592. %
  593. \def\streck{\hbox {\vbox {\vfill \hrule width 0.5pt height 6pt \vskip 0.7pt}}}
  594. \def\C{\hbox{\hskip 1.5pt \streck \hskip -3.2pt {\rm C}}}
  595. \def\Q{\hbox{ \streck \hskip -3pt {\rm Q}}}
  596. \def\negativethinspace{\mskip-\thinmuskip}
  597. \def\R{\hbox{$\rm I \negativethinspace R $}}
  598. \def\Z{\hbox{$\rm Z \negativethinspace  \negativethinspace Z $}}
  599. \def\N{\hbox{$\rm I \negativethinspace N $}}
  600. \def\H{\hbox{$\rm I \negativethinspace H $}}
  601. \def\adj{\rm adj}
  602. \def\det{\rm det}
  603. \def\Matrix#1{\left\lgroup\matrix{#1}\rgroup\right}
  604. \def\mod #1 {({\rm mod~}#1)}
  605. \def\Mod #1 {\ ({\rm mod~}#1)}
  606. \def\ceil#1{\lceil #1 \rceil}
  607. \def\floor#1{\lfloor #1 \rfloor}
  608. %
  609. %  Body of article
  610. %
  611. \problem {A-1:}
  612. Let $R$ be the region consisting of the points $(x,y)$ of the cartesian
  613. plane satisfying both $|x| - |y| \le 1$ and $|y| \le 1$.  Sketch the
  614. region $R$ and find its area.
  615.  
  616. \solution {Solution:}
  617. The area is $6$; the graph I leave to the reader.
  618.  
  619. \problem {A-2:}
  620. A not uncommon calculus mistake is to believe that the product rule for
  621. derivatives says that $(fg)' = f'g'$.  If $f(x) = e^{x^{2}}$, determine,
  622. with proof, whether there exists an open interval $(a,b)$ and a non-zero
  623. function $g$ defined on $(a,b)$ such that the wrong product rule
  624. is true for $x$ in $(a,b)$.
  625.  
  626. \solution {Solution:}
  627. We find all such functions.  Note that $(fg)' = f'g' \Rightarrow f'g'
  628. = f'g + fg'$ hence if $g(x), f'(x) - f(x) \neq 0$ we get that $g'(x)/g(x)
  629. = f'(x)/(f'(x) - f(x))$.  For the particular $f$ given, we then get that
  630. $g'(x)/g(x) = (2x)e^{x^2}/( (2x-1) (e^{x^2}) ) \Rightarrow g'(x)/g(x) =
  631. 2x/(2x-1)$ (since $e^{x^2} > 0$).  Integrating, we deduce that $\ln{|g(x)|}
  632. = x + (1/2)\ln{|2x-1|} + c$ (an arbitrary constant) $\Rightarrow |g(x)|
  633. = e^{c} \sqrt{|2x-1|} e^{x} \Rightarrow g(x) = C \sqrt{|2x-1|} e^{x}, C$
  634. arbitrary $\neq 0$.  We finish by noting that any $g(x)$ so defined is
  635. differentiable on any open interval that does not contain $1/2$.
  636.  
  637. Q.E.D.
  638.  
  639. \problem {A-3:}
  640. Determine, with proof, the set of real numbers $x$ for which
  641. $\sum_{n=1}^{\infty} {( {1\over n} \csc ({1\over n}) - 1)}^{x}$
  642. converges.
  643.  
  644. \solution {Solution:}
  645. The answer is $x > {1\over 2}$.  To see this, note that by Taylor's
  646. theorem with remainder $\sin( {1\over{n}} ) = \sum_{i=1}^{k-1}
  647. { {(-1)}^{i-1} {n}^{-(2i+1)} } + c { {(-1)}^{k-1} {n}^{-(2k+1)} }$,
  648. where $0 \leq c \leq {1\over n}$.  Hence for $n\geq 1 ( 1/n )/( 1/n -
  649. 1/(3! n^{3}) + 1/(5! n^{5}) - 1 < (1/n) \csc(1/n) - 1 < ( 1/n )/( 1/n
  650. - 1/(3! n^{3}) ) - 1 \Rightarrow$ for $n$ large enough, $ (1/2) 1/(3! n^{2})
  651. < (1/n) \csc(1/n) - 1 < 2\cdot 1/(3! n^{2})$.  Applying the p-test and the
  652. comparison test, we see that $\sum_{n=1}^{\infty} {( {1\over n}
  653. \csc({1\over n}) - 1)}^{x}$ converges iff $x > {1\over 2}$.
  654.  
  655. Q.E.D.
  656.  
  657. \problem {A-4:}
  658. Justify your answers.
  659.  
  660. \subproblem {(a)}
  661. If every point on the plane is painted one of three colors, do there
  662. necessarily exist two points of the same color exactly one inch apart?
  663.  
  664. \solution {Solution:}
  665. The answer is yes.  Assume not and consider two equilateral
  666. triangles with side one that have exactly one common face $\Rightarrow$
  667. all points a distance of $\sqrt{3}$ apart are the same color; now
  668. considering a triangle with sides $\sqrt{3}, \sqrt{3}, 1$ we reach the
  669. desired contradiction.
  670.  
  671. Here is a pretty good list of references for the chromatic number of
  672. the plane (i.e., how many colors do you need so that no two points 1
  673. away are the same color) up to around 1982 (though the publication
  674. dates are up to 1985). This asks for the chromatic number of the graph
  675. where two points in R^2 are connected if they are distance 1 apart.
  676. Let this chromatic number be chi(2) and in general let chi(n) be the
  677. chromatic number of R^n. By a theorem in [2] this is equivalent to
  678. finding what the maximum chromatic number of a finite subgraph of this
  679. infinite graph is.
  680.  
  681. [1]  H. Hadwiger, ``Ein Ueberdeckungssatz f\"ur den 
  682.       Euklidischen Raum,'' Portugal. Math. #4 (1944), p.140-144
  683.  
  684.       This seems to be the original reference for the problem
  685.  
  686. [2] N.G. de Bruijn and P. Erd\"os, ``A Color Problem for Infinite
  687.     Graphs and a Problem in the Theory of Relations,'' Nederl. Akad.
  688.     Wetensch. (Indag Math) #13 (1951), p. 371-373.
  689.  
  690. [3] H. Hadwiger, ``Ungel\"oste Probleme No. 40,'' Elemente der Math.
  691.     #16 (1961), p. 103-104.
  692.  
  693.     Gives the upper bound of 7 with the hexagonal tiling and also
  694.     a reference to a Portugese journal where it appeared.
  695.  
  696. [4] L. Moser and W. Moser, ``Solution to Problem 10,'' Canad. Math.
  697.     Bull. #4 (1961), p. 187-189.
  698.  
  699.     Shows that any 6 points in the plane only need 3 colors but
  700.     gives 7 points that require 4 (``the  Moser Graph'' see [7]).
  701.  
  702. [5] Paul Erd\"os, Frank Harary, and William T. Tutte, ``On the 
  703.     Dimension of a Graph,'' Mathematika #12 (1965), p. 118-122.
  704.  
  705.     States that 3<chi(2)<8. Proves that chi(n) is finite for all n.
  706.  
  707. [6] P. Erd\"os, ``Problems and Results in Combinatorial Geometry,''
  708.     in ``Discrete Geometry and Convexity,'' Edited by Jacob E. Goodman,
  709.     Erwin Lutwak, Joseph Malkevitch, and Richard Pollack, Annals of
  710.     the New York Academy of Sciences Vol. 440, New York Academy of 
  711.     Sciences 1985, Pages 1-11.
  712.  
  713.     States that 3<chi(n)<8 and ``I am almost sure that chi(2)>4.''
  714.     States a question of L. Moser: Let R be large and S a measurable
  715.     set in the circle of radius R so that no two points of S have
  716.     distance 1. Denote by m(S) the measure of S. Determine
  717.  
  718.            Lim_{R => infty} max m(S)/R^2.
  719.  
  720.     Erd\"os conjectures that this limit is less than 1/4.
  721.  
  722.     Erd\"os asks the following: ``Let S be a subset of the plane. Join
  723.     two points of S if their distances is 1. This gives a graph G(S).
  724.     Assume that the girth (shortest circuit) of G(S) is k. Can its
  725.     chromatic number be greater than 3? Wormald proved that such 
  726.     a graph exists for k<6. The problem is open for k>5. Wormald
  727.     suggested that this method may work for k=6, but probably a 
  728.     new idea is needed for k>6. A related (perhaps identical)
  729.     question is: `Does G(S) have a subgraph that has girth k and
  730.     chromatic number 4?' ''
  731.  
  732. [7] N. Wormald, ``A 4-chromatic graph with a special plane drawing,''
  733.     J. Austr.  Math. Soc. Ser. A #28 (1970), p. 1-8.
  734.  
  735.     The reference for the above question.
  736.  
  737. [8] R.L. Graham, ``Old and New Euclidean Ramsey Theorems,''
  738.     in ``Discrete Geometry and Convexity,'' Edited by Jacob E. Goodman,
  739.     Erwin Lutwak, Joseph Malkevitch, and Richard Pollack, Annals of
  740.     the New York Academy of Sciences Vol. 440, New York Academy of 
  741.     Sciences 1985, Pages 20-30.
  742.  
  743.     States that the best current bounds are 3<chi(2)<8. Calls the
  744.     graph in [3] the Moser graph. Quotes the result of Frankl and 
  745.     Wilson [8] that chi(n) grows exponentially in n settling an 
  746.     earlier conjecture of Erd\"os (I don't know the reference for 
  747.     this). The best available bounds for this are
  748.  
  749.     (1+ o(1)) (1.2)^n \le chi(n) \le (3+ o(1))^n.
  750.  
  751. [9] P. Frankl and R.M. Wilson, ``Intersection Theorems with Geometric
  752.     Consequences,'' Combinatorica #1 (1981), p. 357-368.
  753.  
  754. [10]  H. Hadwiger, H. Debrunner, and V.L. Klee, ``Combinatorial
  755.       Geometry in the Plane,'' Holt, Rinehart & Winston, New York
  756.       (English edition, 1964).
  757.  
  758. [11]  D.R. Woodall, ``Distances Realized by Sets Covering the Plane,''
  759.       Journal of Combinatorial Theory (A) #14 (1973), p. 187-200.
  760.  
  761.       Among other things, shows that rational points in the plane can
  762.       be two colored.
  763.  
  764. [12]  L. A. Sz\'ekely, ``Measurable Chromatic Number of Geometric
  765.       Graphs and Sets without some Distances in Euclidean Space,''
  766.       Combinatorica #4 (1984), p.213-218.
  767.  
  768.       Considers \chi_m(R^2), the measurable chromatic number,
  769.       where sets of one color must be Lebesgue measurable. 
  770.       He conjectures that \chi_m(R^2) is not equal to 
  771.       \chi(R^2) (if the Axiom of Choice is false).
  772.  
  773. [13]  Martin Gardner, ``Scientific American,'' October 1960, p. 160.
  774.  
  775. [14]  Martin Gardner, ``Wheels, Life and other Mathematical Amusements,''
  776.       W.H. Freeman and Co., New York 1983, pages 195-196.
  777.  
  778.       This occurs in a chapter on mathematical problems including
  779.       the 3x+1 problem. I think that his references are wrong, including
  780.       attributing the problem to Erd\"os and claiming that Charles Trigg
  781.       had original solutions in ``Problem 133,'' Crux Mathematicorum,
  782.       Vol. 2, 1976, pages 144-150.
  783.  
  784. Q.E.D.
  785.  
  786. \subproblem {(b)}
  787. What if "three" is replaced by "nine"?
  788.  
  789. In this case, there does not necessarily exist two points of the same
  790. color exactly one inch apart; this can be demonstrated by considering
  791. a tessellation of the plane by a $3\times 3$ checkboard with side $2$,
  792. with each component square a different color (color of boundary points
  793. chosen in an obvious manner).
  794.  
  795. Q.E.D.
  796.  
  797. The length of the side of the checkerboard is not critical (the reader
  798. my enjoy showing that $3/2 <$ side $< 3\sqrt{2}/2$ works).
  799.  
  800. \problem {A-5:}
  801. Prove that there exists a {\it unique} function $f$ from the set
  802. ${\R}^{+}$ of positive real numbers to ${\R}^{+}$ such that $f(f(x))
  803. = 6x - f(x)$ and $f(x) > 0$ for all $x > 0$.
  804.  
  805. \solution {Solution 1:}
  806.  
  807. Clearly $f(x) = 2x$ is one such solution; we need to show that it is the
  808. {\it only} solution.  Let $f^{1}(x) = f(x), f^{n}(x) = f(f^{n-1}(x))$ and
  809. notice that $f^{n}(x)$ is defined for all $x>0$.  An easy induction
  810. establishes that for $n>0 f^{n}(x) = a_{n} x + b_{n} f(x)$, where $a_{0}
  811. = 0, b_{0} = 1$ and $a_{n+1} = 6 b_{n}, b_{n+1} = a_{n} - b_{n}
  812. \Rightarrow b_{n+1} = 6 b_{n-1} - b_{n}$.  Solving this latter equation
  813. in the standard manner, we deduce that $\lim_{n\to \infty} a_{n}/b_{n}
  814. = -2$, and since we have that $f^{n}(x) > 0$ and since $b_{n}$ is
  815. alternately negative and positive; we conclude that $2x \leq f(x) \leq 2x$
  816. by letting $n \rightarrow \infty$.
  817.  
  818. Q.E.D.
  819.  
  820. \solution {Solution 2:}
  821. (Dan Bernstein, Princeton)
  822.  
  823. As before, $f(x) = 2x$ works.  We must show that if $f(x) = 2x + g(x)$
  824. and $f$ satisfies the conditions then $g(x) = 0$ on ${\R}^{+}$.
  825. Now $f(f(x)) = 6x - f(x)$ means that $2f(x) + g(f(x)) = 6x - 2x - g(x)$,
  826. i.e., $4x + 2g(x) + g(f(x)) = 4x - g(x)$, i.e., $3g(x) + g(f(x)) = 0$.
  827. This then implies $g(f(f(x))) = 9g(x)$.  Also note that $f(x) > 0$
  828. implies $g(x) > -2x$.  Suppose $g(x)$ is not $0$ everywhere.  Pick $y$
  829. at which $g(y) \neq 0$.  If $g(y) > 0$, observe $g(f(y)) = -3g(y) < 0$,
  830. so in any case there is a $y_{0}$ with $g(y_{0}) < 0$.  Now define $y_{1}
  831. = f(f(y_{0})), y_{2} = f(f(y_{1}))$, etc.  We know $g(y_{n+1})$ equals
  832. $g(f(f(y_{n}))) = 9g(y_{n})$.  But $y(n+1) = f(f(y_{n})) = 6y_{n} -
  833. f(y_{n}) < 6y_{n}$ since $f>0$.  Hence for each $n$ there exists
  834. $y_{n} < 6^{n} y_{0}$ such that $g(y_{n}) = 9^{n} g(y_{0})$.
  835. The rest is obvious: $0 > g(y_{0}) = 9^{-n} g(y_{n}) > -2\cdot 9^{-n}
  836. y_{n} > -2 (6/9)^{n} y_{0}$, and we observe that as $n$ goes to infinity
  837. we have a contradiction.
  838.  
  839. Q.E.D.
  840.  
  841. \problem {A-6:}
  842. If a linear transformation $A$ on an $n$-dimensional vector space has
  843. $n+1$ eigenvectors such that any $n$ of them are linearly independent,
  844. does it follow that $A$ is a scalar multiple of the identity?  Prove your
  845. answer.
  846.  
  847. \solution {Solution:}
  848. The answer is yes.  First note that if $x_{1}, \ldots, x_{n+1}$ are the
  849. eigenvectors, then we must have that $a_{n+1} x_{n+1} = a_{1} x_{1}
  850. + \cdots + a_{n} x_{n}$ for some non-zero scalars $a_{1}, \ldots, a_{n+1}$.
  851. Multiplying by $A$ on the left we see that $\lambda_{n+1} a_{n+1} x_{n+1}
  852. = \lambda_{1} a_{1} x_{1} + \cdots + \lambda_{n} a_{n} x_{n}$, where
  853. $\lambda_{i}$ is the eigenvalue corresponding to the eigenvectors $x_{i}$.
  854. But since we also have that $\lambda_{n+1} a_{n+1} x_{n+1} = \lambda_{n+1}
  855. a_{1} x_{1} + \cdots + \lambda_{n+1} a_{n} x_{n}$ we conclude that
  856. $\lambda_{1} a_{1} x_{1} + \cdots + \lambda_{n} a_{n} x_{n} = \lambda_{n+1}
  857.  a_{1} x_{1} + \cdots + \lambda_{n+1} a_{n} x_{n} \Rightarrow a_{1}
  858. (\lambda_{1} - \lambda_{n+1}) x_{1} + \cdots + a_{n} (\lambda_{n} -
  859. \lambda_{n+1}) x_{1} = 0 \Rightarrow \lambda_{1} = \cdots = \lambda_{n+1}
  860. = \lambda$ since $x_{1}, \ldots, x_{n}$ are linearly independent.  To
  861. finish, note that the dimension of the eigenspace of $\lambda$ is equal
  862. to $n$, and since this equals the dimension of the nullspace of $A -
  863. \lambda I$ we conclude that the rank of $A - \lambda I$ equals $n - n =
  864. 0 \Rightarrow A - \lambda I = 0$.
  865.  
  866. Q.E.D.
  867.  
  868. \problem {B-1:}
  869. A {\it composite} (positive integer) is a product $ab$ with $a$ and $b$
  870. not necessarily distinct integers in $\{ 2,3,4,\ldots \}$.  Show that
  871. every composite is expressible as $xy + xz + yz + 1$, with $x, y$, and
  872. $z$ positive integers.
  873.  
  874. \solution {Solution:}
  875. Let $x = a-1, y = b-1, z = 1$; we then get that $xy + xz + yz + 1
  876. = (a-1)(b-1) + a-1 + b-1 + 1 = ab$.
  877.  
  878. Q.E.D.
  879.  
  880. \problem {B-2:}
  881. Prove or disprove:  If $x$ and $y$ are real numbers with $y \geq 0$
  882. and $y(y+1) \leq {(x+1)}^2$, then $y(y-1) \leq x^2$.
  883.  
  884. \solution {Solution:}
  885. The statement is true.  If $x+1 \geq 0$ we have that $\sqrt{y(y+1)}
  886. - 1 \leq x \Rightarrow x^{2} \geq y^{2} + y + 1 - 2 \sqrt{y^{2}+y} \geq
  887. y^{2} - y$ since $2y + 1 \geq 2 \sqrt{y^{2}+y}$ since ${(2y + 1)}^{2}
  888. \geq 4 (y^{2}+y)$ if $y\geq 0$.  If $x+1 < 0$, we see that $\sqrt{y(y+1)}
  889. \leq -x - 1 \Rightarrow x^{2} \geq y^{2} + y + 1 + 2 \sqrt{y^{2}+y}
  890. \geq y^{2} - y$.
  891.  
  892. Q.E.D.
  893.  
  894. \problem {B-3:}
  895. For every $n$ in the set ${\Z}^{+} = \{ 1,2,\ldots \}$ of positive
  896. integers, let $r(n)$ be the minimum value of $|c-d \sqrt{3}|$ for all
  897. nonnegative integers $c$ and $d$ with $c + d = n$.  Find, with proof,
  898. the smallest positive real number $g$ with $r(n) \leq g$ for all $n$
  899. in ${\Z}^{+}$.
  900.  
  901. \solution  {Solution:}
  902. The answer is $(1 + \sqrt{3})/2$.  We write $|c-d\sqrt{3}|$ as
  903. $|(n-d) - d\sqrt{3}|$; I claim that the minimum over all $d, 0 \leq d
  904. \leq n$, occurs when $d = e = \floor{n/(1+\sqrt{3})}$ or when $d = f =
  905. e+1 = \floor{n/(1+\sqrt{3})} + 1$.  To see this, note that $(n-e) - e
  906. \sqrt{3} > 0$ and if $e'<e$, then $(n-e') - e' \sqrt{3} > (n-e) - e
  907. \sqrt{3}$, and similarly for $f'>f$.  Now let $r = n/(1+\sqrt{3}) -
  908. \floor{n/(1+\sqrt{3})}$ and note that $|(n-e) - e \sqrt{3}| = r
  909. (1+\sqrt{3})$ and $|(n-f) - f \sqrt{3}| = (1-r) (1+\sqrt{3})$.  Clearly
  910. one of these will be $\leq (1+\sqrt{3})/2$.  To see that $(1+\leq{3})/2$
  911. cannot be lowered, note that since $1+\sqrt{3}$ is irrational, $r$ is
  912. uniformly distributed $\mod{1} $.
  913.  
  914. Q.E.D.
  915.  
  916. \notes {Notes:}
  917. We do not really need the result that $x$ irrational $\Rightarrow x n
  918. - \floor{x n}$ u. d. $\mod{1} $, it would suffice to show that $x$
  919. irrational $\Rightarrow x n - \floor{x n}$ is dense in $(0,1)$.  But
  920. this is obvious, since if $x$ is irrational there exists arbitrarily
  921. large $q$ such that there exists $p$ with $(p,q) = 1$ such that $p/q <
  922. x < (p+1)/q$.  The nifty thing about the u. d. result is that it answers
  923. the question:  what number $x$ should we choose such that the density
  924. of $\{ n : r(n) < x \}$ equals $t, 0 < t < 1$?  The u. d. result implies
  925. that the answer is $t (1+\sqrt{3})/2$.  The u. d. result also provides
  926. the key to the question:  what is the average value of $r(n)$?  The
  927. answer is $(1+\sqrt{3})/4$.
  928.  
  929. \problem {B-4:}
  930. Prove that if $\sum_{n=1}^{\infty} a(n)$ is a convergent series of
  931. positive real numbers, then so is $\sum_{n=1}^{\infty} {(a(n))}^{n/(n+1)}$.
  932.  
  933. \solution {Solution:}
  934. Note that the subseries of terms ${a(n)}^{n\over{n+1}}$ with
  935. ${a(n)}^{1\over{n+1}} \leq {1\over 2}$ converges since then
  936. ${a(n)}^{n\over{n+1}}$ is dominated by $1/2^{n}$, the subseries of
  937. terms ${a(n)}^{n\over{n+1}}$ with ${a(n)}^{1\over{n+1}} > {1\over 2}$
  938. converges since then ${a(n)}^{n\over{n+1}}$ is dominated by $2 a(n)$,
  939. hence $\sum_{n=1}^{\infty} {a(n)}^{n\over{n+1}}$ converges.
  940.  
  941. Q.E.D.
  942.  
  943. \problem {B-5:}
  944. For positive integers $n$, let $M(n)$ be the $2n + 1$ by $2n + 1$
  945. skew-symmetric matrix for which each entry in the first $n$ subdiagonals
  946. below the main diagonal is $1$ and each of the remaining entries below
  947. the main diagonal is $-1$.  Find, with proof, the rank of $M(n)$.
  948. (According to the definition the rank of a matrix is the largest $k$
  949. such that there is a $k \times k$ submatrix with non-zero determinant.)
  950.  
  951. One may note that \break\hfill
  952. $M(1) = \left( \matrix{0&-1&1 \cr 1&0&-1
  953. \cr -1&1&0} \right)$ and $M(2) = \left( \matrix{0&-1&-1&1&1
  954. \cr 1&0&-1&-1&1 \cr 1&1&0&-1&-1 \cr -1&1&1&0&-1 \cr -1&-1&1&1&0}
  955. \right)$.
  956.  
  957. \solution {Solution 1:}
  958. Since $M(n)$ is skew-symmetric, $M(n)$ is singular for all $n$, hence
  959. the rank can be at most $2n$.  To see that this is indeed the answer,
  960. consider the submatrix $M_{i}(n)$ obtained by deleting row $i$ and column
  961. $i$ from $M(n)$.  From the definition of the determinant we have that
  962. $\det(M_{i}(n)) = \sum {(-1)}^{\delta(k)} a_{1 k(1)} \cdots a_{(2n) k(2n)}$,
  963. where $k$ is member of $S_{2n}$ (the group of permutations on
  964. $\{1,\ldots,2n\}$) and $\delta(k)$ is $0$ if $k$ is an even permutation or
  965. $1$ if $k$ is an odd permutation.  Now note that ${(-1)}^{\delta(k)}
  966. a_{1 k(1)} \cdots a_{(2n) k(2n)}$ equals either $0$ or $\pm 1$, and is
  967. non-zero iff $k(i) \neq i$ for all $i$, i.e. iff $k$ has no fixed points.
  968. If we can now show that the set of all elements $k$ of $S_{2n}$, with
  969. $k(i) \neq i$ for all $i$, has odd order, we win since this would imply that
  970. $\det(M_{i}(n))$ is odd $\Rightarrow \det(M_{i}) \neq 0$.  To show this,
  971. let $f(n)$ equal the set of all elements $k$ of $S_n$ with $k(i) \neq
  972. i$ for all $i$.  We have that $f(1) = 0, f(2) = 1$ and we see that
  973. $f(n) = (n-1) ( f(n-1) + f(n-2) )$ by considering the possible values of
  974. $f(1)$ and whether or not $f(f(1)) = 1$; an easy induction now establishes
  975. that $f(2n)$ is odd for all $n$.
  976.  
  977. Q.E.D.
  978.  
  979. \notes {Notes:}
  980. In fact, it is a well-known result that $f(n) = n! ( 1/2! - 1/3! + \cdots
  981. + {(-1)}^{n}/n! )$.
  982.  
  983. \solution {Solution 2:}
  984. As before, since $M(n)$ is skew-symmetric $M(n)$ is singular for all $n$
  985. and hence can have rank at most $2n$.  To see that this is the rank,
  986. let $M_{i}(n)$ be the submatrix obtained by deleting row $i$ and column
  987. $i$ from $M(n)$.  We finish by noting that ${M_{i}(n)}^{2} \equiv
  988. I_{2n} \Mod{2} $, hence $M_{i}(n)$ is nonsingular.
  989.  
  990. Q.E.D.
  991.  
  992. \problem {B-6:}
  993. Prove that there exist an infinite number of ordered pairs $(a,b)$ of
  994. integers such that for every positive integer $t$ the number $at + b$
  995. is a triangular number if and only if $t$ is a triangular number.
  996. (The triangular numbers are the $t(n) = n(n + 1)/2$ with $n$ in
  997. $ \{ 0,1,2,\ldots \}$ ).
  998.  
  999. \solution {Solution:}
  1000. Call a pair of integers $(a,b)$ a {\it triangular pair} if $at + b$
  1001. is a triangular number iff $t$ is a triangular number.  I claim that
  1002. $(9,1)$ is a triangular pair.  Note that $9 (n(n+1)/2) + 1 =
  1003. (3n+1)(3n+2)/2$ hence $9t+1$ is triangular if $t$ is.  For the other
  1004. direction, note that if $ 9t+1 = n(n+1)/2 \Rightarrow n = 3k+1$
  1005. hence $ 9t+1 = n(n+1)/2 = 9(k(k+1)/2)+1 \Rightarrow t = k(k+1)/2$,
  1006. therefore $t$ is triangular.  Now note that if $(a,b)$ is a triangular
  1007. pair then so is $(a^{2},(a+1)b)$, hence we can generate an infinite
  1008. number of triangular pairs starting with $(9,1)$.
  1009.  
  1010. Q.E.D.
  1011.  
  1012. \notes {Notes:}
  1013. The following is a proof of necessary and sufficient conditions for $(a,b)$
  1014. to be a triangular pair.
  1015.  
  1016. I claim that $(a,b)$ is a triangular pair iff for some odd integer $o$
  1017. we have that $a = o^{2}, b = (o^{2}-1)/8$.  I will first prove the
  1018. direction $\Leftarrow$.  Assume we have $a = o^{2}, b = (o^{2}-1)/8$.
  1019. If $t = n(n+1)/2$ is any triangular number, then the identity $o^{2}
  1020. n(n+1)/2 + (o^{2}-1)/8 = (on + (o-1)/2) (on + (o+1)/2)/2$ shows that
  1021. $at + b$ is also a triangular number.  On the other hand if $o^{2} t +
  1022. (o^{2}-1)/8 = n(n+1)/2$, the above identity implies we win if we can show
  1023. that $( n - (o-1)/2 )/o$ is an integer, but this is true since $o^{2} t +
  1024. (o^{2}-1)/8 \equiv n(n+1)/2 \Mod{o^{2}} \Rightarrow 4n^{2} + 4n \equiv -1
  1025. \Mod{o^{2}} \Rightarrow {(2n + 1)}^{2} \equiv 0 \Mod{o^{2}} \Rightarrow 2n + 1
  1026. \equiv 0 \Mod{o} \Rightarrow n \equiv (o-1)/2 \Mod{o} $.  For the direction
  1027. $\Rightarrow$ assume that $(a,b)$ and $(a,c), c\ge b$, are both triangular
  1028. pairs; to see that $b = c$ notice that if $at + b$ is triangular for all
  1029. triangular numbers $t$, then we can choose $t$ so large that if $c>b$ then
  1030. $at + c$ falls between two consecutive triangular numbers; contradiction hence
  1031. $b = c$.  Now assume that $(a,c)$ and $(b,c)$ are both triangular pairs;
  1032. I claim that $a = b$.  But this is clear since if $(a,c)$ and $(b,c)$
  1033. are triangular pairs $\Rightarrow (ab,bc+c)$ and $(ab,ac+c)$ are
  1034. triangular pairs $\Rightarrow bc+c = ac+c$ by the above reasoning
  1035. $\Rightarrow bc=ac \Rightarrow$ either $a=b$ or $c=0 \Rightarrow a=b$
  1036. since $c=0 \Rightarrow a=b=1$.  For a proof of this last assertion,
  1037. assume $(a,0), a>1$, is a triangular pair; to see that this gives a
  1038. contradiction note that if $(a,0)$ is a triangular pair $\Rightarrow
  1039. (a^{2},0)$ is also triangular pair, but this is impossible since then
  1040. we must have that $a(a^{3}+1)/2$ is triangular (since $a^{2} a (a^{3}+1)/2$
  1041. is triangular) but $(a^{2}-1)a^{2}/2 < a(a^{3}+1)/2 < a^{2}(a^{2}+1)/2$
  1042. (if $a>1$).  We are now done, since if $(a,b)$ is a triangular pair
  1043. $\Rightarrow a 0 + b = n(n+1)/2$ for some $n\geq 0 \Rightarrow b =
  1044. ({(2n+1)}^{2} - 1)/8$.
  1045.  
  1046. Q.E.D.
  1047.  
  1048. \bye
  1049.  
  1050. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1990.p <==
  1051. Problem A-1
  1052. How many primes among the positive integers, written as usual in base
  1053. 10, are such that their digits are alternating 1's and 0's, beginning
  1054. and ending with 1?
  1055.  
  1056. Problem A-2
  1057. Evaluate \int_0^a \int_0^b \exp(\max{b^2 x^2, a^2 y^2}) dy dx where a and
  1058. b are positive.
  1059.  
  1060. Problem A-3
  1061. Prove that if 11z^10 + 10iz^9 + 10iz - 11 = 0, then |z| = 1. (Here z is
  1062. a complex number and i^2 = -1.)
  1063.  
  1064. Problem A-4
  1065. If \alpha is an irrational number, 0 < \alpha < 1, is there a finite
  1066. game with an honest coin such that the probability of one player winning
  1067. the game is \alpha? (An honest coin is one for which the probability of
  1068. heads and the probability of tails are both 1/2. A game is finite if
  1069. with probability 1 it must end in a finite number of moves.)
  1070.  
  1071. Problem A-5
  1072. Let m be a positive integer and let G be a regular (2m + 1)-gon
  1073. inscribed in the unit circle. Show that there is a positive constant A,
  1074. independent of m, with the following property. For any point p inside G
  1075. there are two distinct vertices v_1 and v_2 of G such that
  1076.                              1     A
  1077. | |p - v_1| - |p - v_2| | < --- - ---.
  1078.                              m    m^3
  1079. Here |s - t| denotes the distance between the points s and t.
  1080.  
  1081. Problem A-6
  1082. Let \alpha = 1 + a_1 x + a_2 x^2 + ... be a formal power series with
  1083. coefficients in the field of two elements. Let
  1084.           / 1 if every block of zeros in the binary expansion of n
  1085.      /    has an even number of zeros in the block,
  1086.   a_n = {
  1087.      \ 0 otherwise.
  1088. (For example, a_36 = 1 because 36 = 100100_2 and a_20 = 0 because 20 =
  1089. 10100_2.) Prove that \alpha^3 + x \alpha + 1 = 0.
  1090.  
  1091. Problem B-1
  1092. A dart, thrown at random, hits a square target. Assuming that any two
  1093. points of the target of equal area are equally likely to be hit, find
  1094. the probability that the point hit is nearer to the center than to any
  1095. edge. Express your answer in the form (a \sqrt(b) + c) / d, where a, b,
  1096. c, d are integers.
  1097.  
  1098. Problem B-2
  1099. Let S be a non-empty set with an associative operation that is left and
  1100. right cancellative (xy = xz implies y = z, and yx = zx implies y = z).
  1101. Assume that for every a in S the set { a^n : n = 1, 2, 3, ... } is
  1102. finite. Must S be a group?
  1103.  
  1104. Problem B-3
  1105. Let f be a function on [0,\infty), differentiable and satisfying
  1106.   f'(x) = -3 f(x) + 6 f(2x)
  1107. for x > 0. Assume that |f(x)| <= \exp(-\sqrt(x)) for x >= 0 (so that
  1108. f(x) tends rapidly to 0 as x increases). For n a non-negative integer,
  1109. define
  1110.   \mu_n = \int_0^\infty x^n f(x) dx
  1111. (sometimes called the nth moment of f).
  1112. a. Express \mu_n in terms of \mu_0.
  1113. b. Prove that the sequence { \mu_n 3^n / n! } always converges, and that
  1114.    the limit is 0 only if \mu_0 = 0.
  1115.  
  1116. Problem B-4
  1117. Can a countably infinite set have an uncountable collection of non-empty
  1118. subsets such that the intersection of any two of them is finite?
  1119.  
  1120. Problem B-5
  1121. Label the vertices of a trapezoid T (quadrilateral with two parallel
  1122. sides) inscribed in the unit circle as A, B, C, D so that AB is parallel
  1123. to CD and A, B, C, D are in counterclockwise order. Let s_1, s_2, and d
  1124. denote the lengths of the line segments AB, CD, and OE, where E is the
  1125. point of intersection of the diagonals of T, and O is the center of the
  1126. circle. Determine the least upper bound of (s_1 - s_2) / d over all such
  1127. T for which d \ne 0, and describe all cases, if any, in which it is
  1128. attained.
  1129.  
  1130. Problem B-6
  1131. Let (x_1, x_2, ..., x_n) be a point chosen at random from the
  1132. n-dimensional region defined by 0 < x_1 < x_2 < ... < x_n < 1.
  1133. Let f be a continuous function on [0, 1] with f(1) = 0. Set x_0 = 0 and
  1134. x_{n+1} = 1. Show that the expected value of the Riemann sum
  1135.   \sum_{i = 0}^n (x_{i+1} - x_i) f(x_{i+1})
  1136. is \int_0^1 f(t)P(t) dt, where P is a polynomial of degree n,
  1137. independent of f, with 0 \le P(t) \le 1 for 0 \le t \le 1.
  1138.  
  1139. ==> competition/tests/math/putnam/putnam.1990.s <==
  1140. Problem A-1
  1141. How many primes among the positive integers, written as usual in base
  1142. 10, are such that their digits are alternating 1's and 0's, beginning
  1143. and ending with 1?
  1144.  
  1145. Solution:
  1146. Exactly one, namely 101. 1 is not prime; 101 is prime. The sum
  1147. 100^n + 100^{n - 1} + ... + 1 is divisible by 101 if n is odd,
  1148. 10^n + 10^{n - 1} + ... + 1 if n is even. (To see the second part,
  1149. think about 101010101 = 102030201 - 1020100 = 10101^2 - 1010^2.)
  1150.  
  1151. Problem A-2
  1152. Evaluate \int_0^a \int_0^b \exp(\max{b^2 x^2, a^2 y^2}) dy dx where a and
  1153. b are positive.
  1154.  
  1155. Solution:
  1156. Split the inner integral according to the max{}. The easy term becomes
  1157. an integral of t e^{t^2}. The other term becomes an easy term after you
  1158. switch the order of integration. Your answer should have an e^{(ab)^2}.
  1159.  
  1160. Problem A-3
  1161. Prove that if 11z^10 + 10iz^9 + 10iz - 11 = 0, then |z| = 1. (Here z is
  1162. a complex number and i^2 = -1.)
  1163.  
  1164. Solution:
  1165. z is not zero, so divide by z^5 to make things a bit more symmetric.
  1166. Now write z = e^{i \theta} and watch the formula dissolve into a simple
  1167. trigonometric sum. The 11 sin 5 \theta term dominates the sum when that
  1168. sine is at its maximum; by this and similar considerations, just *write
  1169. down* enough maxima and minima of the function that it must have ten
  1170. real roots for \theta. (This cute solution is due to Melvin Hausner,
  1171. an NYU math professor.)
  1172.  
  1173. Problem A-4
  1174. If \alpha is an irrational number, 0 < \alpha < 1, is there a finite
  1175. game with an honest coin such that the probability of one player winning
  1176. the game is \alpha? (An honest coin is one for which the probability of
  1177. heads and the probability of tails are both 1/2. A game is finite if
  1178. with probability 1 it must end in a finite number of moves.)
  1179.  
  1180. Solution:
  1181. Yes. Write \alpha in binary---there's no ambiguity since it's irrational.
  1182. At the nth step (n >= 0), flip the coin. If it comes up heads, go to the
  1183. next step. If it comes up tails, you win if the nth bit of \alpha is 1.
  1184. Otherwise you lose. The probability of continuing forever is zero. The
  1185. probability of winning is \alpha.
  1186.  
  1187. This problem could have been better stated. Repeated flips of the coin
  1188. must produce independent results. The note that ``finite'' means only
  1189. ``finite with probability 1'' is hidden inside parentheses, even though
  1190. it is crucial to the result. In any case, this problem is not very
  1191. original: I know I've seen similar problems many times, and no serious
  1192. student of probability can take more than ten minutes on the question.
  1193.  
  1194. Problem A-5
  1195. Let m be a positive integer and let G be a regular (2m + 1)-gon
  1196. inscribed in the unit circle. Show that there is a positive constant A,
  1197. independent of m, with the following property. For any point p inside G
  1198. there are two distinct vertices v_1 and v_2 of G such that
  1199.                              1     A
  1200. | |p - v_1| - |p - v_2| | < --- - ---.
  1201.                              m    m^3
  1202. Here |s - t| denotes the distance between the points s and t.
  1203.  
  1204. Solution:
  1205. Place G at the usual roots of unity. Without loss of generality assume
  1206. that p = re^{i\theta} is as close to 1 as to any other vertex; in other
  1207. words, assume |\theta| <= 2\pi / (4m + 2) = \pi / (2m + 1). Now take the
  1208. distance between p and the two farthest (not closest!) vertices. Make
  1209. sure to write | |X| - |Y| | as the ratio of | |X|^2 - |Y|^2 | to |X| + |Y|.
  1210. I may have miscalculated, but I get a final result inversely proportional 
  1211. to (4m + 2)^2, from which the given inequality follows easily with, say,
  1212. A = 0.01.
  1213.  
  1214. Alternate solution:
  1215. The maximum distance between p and a point of G is achieved between two
  1216. almost-opposite corners, with a distance squared of double 1 + \cos\theta
  1217. for an appropriately small \theta, or something smaller than 2 - A/m^2
  1218. for an appropriate A. Now consider the set of distances between p and
  1219. the vertices; this set is 2m + 1 values >= 0 and < 2 - A/m^2, so that
  1220. there are two values at distance less than 1/m - A/m^3 as desired.
  1221.  
  1222. Problem A-6
  1223. Let \alpha = 1 + a_1 x + a_2 x^2 + ... be a formal power series with
  1224. coefficients in the field of two elements. Let
  1225.           / 1 if every block of zeros in the binary expansion of n
  1226.      /    has an even number of zeros in the block,
  1227.   a_n = {
  1228.      \ 0 otherwise.
  1229. (For example, a_36 = 1 because 36 = 100100_2 and a_20 = 0 because 20 =
  1230. 10100_2.) Prove that \alpha^3 + x \alpha + 1 = 0.
  1231.  
  1232. Solution:
  1233. (Put a_0 = 1, of course.) Observe that a_{4n} = a_n since adding two zeros
  1234. on the right end does not affect the defining property; a_{4n + 2} = 0
  1235. since the rightmost zero is isolated; and a_{2n + 1} = a_n since adding
  1236. a one on the right does not affect the defining property. Now work in the
  1237. formal power series ring Z_2[[x]]. For any z in that ring that is a
  1238. multiple of x, define f(z) as a_0 + a_1 z + a_2 z^2 + ... . Clearly
  1239. f(z) = f(z^4) + z f(z^2) by the relations between a's. Now over Z_2,
  1240. (a + b)^2 = a^2 + b^2, so f(z) = f(z)^4 + z f(z)^2. Plug in x for z and
  1241. cancel the f(x) to get 1 = \alpha^3 + x \alpha as desired.
  1242.  
  1243. Problem B-1
  1244. A dart, thrown at random, hits a square target. Assuming that any two
  1245. points of the target of equal area are equally likely to be hit, find
  1246. the probability that the point hit is nearer to the center than to any
  1247. edge. Express your answer in the form (a \sqrt(b) + c) / d, where a, b,
  1248. c, d are integers.
  1249.  
  1250. Solution:
  1251. This is straightforward. The closer-to-the-center region is centered on
  1252. a square of side length \sqrt 2 - 1; surrounding the square and meeting
  1253. it at its corners are parabolic sections extending out halfway to the
  1254. edge. b is 2 and d is 6; have fun.
  1255.  
  1256. Problem B-2
  1257. Let S be a non-empty set with an associative operation that is left and
  1258. right cancellative (xy = xz implies y = z, and yx = zx implies y = z).
  1259. Assume that for every a in S the set { a^n : n = 1, 2, 3, ... } is
  1260. finite. Must S be a group?
  1261.  
  1262. Solution:
  1263. Yes. There is a minimal m >= 1 for which a^m = a^n for some n with n > m;
  1264. by cancellation, m must be 1. We claim that a^{n-1} is an identity in S.
  1265. For ba = ba^n = ba^{n-1}a, so by cancellation b = ba^{n-1}, and similarly
  1266. on the other side. Now a has an inverse, a^{n-2}. This problem is not new.
  1267.  
  1268. Problem B-3
  1269. Let f be a function on [0,\infty), differentiable and satisfying
  1270.   f'(x) = -3 f(x) + 6 f(2x)
  1271. for x > 0. Assume that |f(x)| <= \exp(-\sqrt(x)) for x >= 0 (so that
  1272. f(x) tends rapidly to 0 as x increases). For n a non-negative integer,
  1273. define
  1274.   \mu_n = \int_0^\infty x^n f(x) dx
  1275. (sometimes called the nth moment of f).
  1276. a. Express \mu_n in terms of \mu_0.
  1277. b. Prove that the sequence { \mu_n 3^n / n! } always converges, and that
  1278.    the limit is 0 only if \mu_0 = 0.
  1279.  
  1280. Solution:
  1281. The only trick here is to integrate \mu_n by parts the ``wrong way,''
  1282. towards a higher power of x. A bit of manipulation gives the formula for
  1283. \mu_n as \mu_0 times n! / 3^n times the product of 2^k / (2^k - 1) for
  1284. 1 <= k <= n. Part b is straightforward; the product converges since the
  1285. sum of 1 / (2^k - 1) converges (absolutely---it's positive).
  1286.  
  1287. Problem B-4
  1288. Can a countably infinite set have an uncountable collection of non-empty
  1289. subsets such that the intersection of any two of them is finite?
  1290.  
  1291. Solution:
  1292. Yes. A common example for this very well-known problem is the set of
  1293. rationals embedded in the set of reals. For each real take a Cauchy
  1294. sequence converging to that real; those sequences form the subsets of
  1295. the countably infinite rationals, and the intersection of any two of
  1296. them had better be finite since the reals are Archimedian. Another
  1297. example, from p-adics: Consider all binary sequences. With sequence
  1298. a_0 a_1 a_2 ... associate the set a_0, a_0 + 2a_1, a_0 + 2a_1 + 4a_2,
  1299. etc.; or stick 1 bits in all the odd positions to simplify housekeeping
  1300. (most importantly, to make the set infinite). Certainly different
  1301. sequences give different sets, and the intersection of two such sets
  1302. is finite.
  1303.  
  1304. Alternative solution:
  1305. Let C be a countable collection of non-empty subsets of A with the property
  1306. that any two subsets have finite intersection (from now
  1307. on we call this property, countable intersection property). Clearly
  1308. such a collection exists. We will show that C is not maximal, that is,
  1309. there exists a set which does not belong to C and it intersects finitely
  1310. with any set in C. Hence by Zorn's lemma, C can be extended to an
  1311. uncountable collection.
  1312.  
  1313. Let A1, A2, .... be an enumeration of sets in C. Then by axiom of choice,
  1314. pick an element b sub i from each of A sub i - Union {from j=1 to i-1} of
  1315. A sub j. It is easy to see that each such set is non-empty. Let B be the
  1316. set of all b sub i's. Then clearly B is different from each of the A sub i's
  1317. and its intersection with each A sub i is finite. 
  1318.  
  1319. Yet another alternative solution:
  1320. Let the countable set be the lattice points of the plane.  For each t in
  1321. [0,pi) let  s(t) be the lattice points in a strip with angle of inclination
  1322. t and width greater than 1.  Then the set of these strips is uncountable.
  1323. The intersection of any two is bounded, hence finite. 
  1324.  
  1325. More solutions:
  1326. The problem (in effect) asks for an uncountable collection of
  1327. sets of natural numbers that are "almost disjoint," i.e., any two
  1328. have a finite intersection.  Here are two elementary ways to
  1329. get such a collection.
  1330.  
  1331. 1. For any set A={a, b, c, ...} of primes, let A'={a, ab, abc, ...}.
  1332. If A differs from B then A' has only a finite intersection with B'.
  1333.  
  1334. 2.  For each real number, e.g. x=0.3488012... form the set
  1335. S_x={3, 34, 348, 3488, ...}.  Different reals give almost disjoint sets.
  1336.  
  1337.  
  1338. Problem B-5
  1339. Label the vertices of a trapezoid T (quadrilateral with two parallel
  1340. sides) inscribed in the unit circle as A, B, C, D so that AB is parallel
  1341. to CD and A, B, C, D are in counterclockwise order. Let s_1, s_2, and d
  1342. denote the lengths of the line segments AB, CD, and OE, where E is the
  1343. point of intersection of the diagonals of T, and O is the center of the
  1344. circle. Determine the least upper bound of (s_1 - s_2) / d over all such
  1345. T for which d \ne 0, and describe all cases, if any, in which it is
  1346. attained.
  1347.  
  1348. Solution:
  1349. Center the circle at the origin and rotate the trapezoid so that AB and
  1350. CD are horizontal. Assign coordinates to A and D, polar or rectangular
  1351. depending on your taste. Now play with s_1 - s_2 / d for a while;
  1352. eventually you'll find the simple form, after which maximization is
  1353. easy. The answer, if I've calculated right, is 2, achieved when rotating
  1354. the trapezoid by 90 degrees around the circle would take one vertex into
  1355. another. (A right triangle, with the hypoteneuse the length-two diamater
  1356. and d = 1, is a degenerate example.)
  1357.  
  1358. Alternative solution:
  1359. Let a be the distance from O (the center of the circle) to AB (that is
  1360. the side with length s1), and b the distance from O to CD. Clearly,
  1361. a = sqrt(1-s1*s1/4) and b = sqrt(1-s2*s2/4). Then with some mathematical
  1362. jugglery, one can show that (s1-s2)/d = (s1*s1-s2*s2)/(b*s1-a*s2).
  1363. Then differentiating this with respect to s1 and s2 and equating to
  1364. 0 yields s1*s1+s2*s2=4, and hence s1=2*b and s2=2*a. The value of (s1-s2)/d
  1365. for these values is then 2. Hence (s1-s1)/d achieves its extremeum when
  1366. s1*s1+s2*s2=4 (that this value is actually a maximum is then easily seen),
  1367. and the lub is 2.
  1368.  
  1369. Problem B-6
  1370. Let (x_1, x_2, ..., x_n) be a point chosen at random from the
  1371. n-dimensional region defined by 0 < x_1 < x_2 < ... < x_n < 1.
  1372. Let f be a continuous function on [0, 1] with f(1) = 0. Set x_0 = 0 and
  1373. x_{n+1} = 1. Show that the expected value of the Riemann sum
  1374.   \sum_{i = 0}^n (x_{i+1} - x_i) f(x_{i+1})
  1375. is \int_0^1 f(t)P(t) dt, where P is a polynomial of degree n,
  1376. independent of f, with 0 \le P(t) \le 1 for 0 \le t \le 1.
  1377.  
  1378. Solution:
  1379. Induct right to left. Show that for each k, given x_{k-1}, the
  1380. expected value at a point chosen with x_{k-1} < x_k < ... < x_n < 1
  1381. is a polynomial of the right type with the right degree. It's pretty
  1382. easy once you find the right direction. 0 \le P(t) \le 1 comes for
  1383. free: if P(t) is out of range at a point, it is out of range on an
  1384. open interval, and setting f to the characteristic function of that
  1385. interval produces a contradiction.
  1386.