Olimpiada de matematică 2023, etapa națională — clasa a XII-a, subiecte rezolvate
Publicitate
Subiectele oficiale de la Olimpiada Națională de Matematică 2023, etapa națională, clasa a XII-a (Craiova, 11 aprilie 2023), cu soluțiile explicate pas cu pas după baremul oficial. Pe scurt: este aranjabil exact pentru impar; rădăcinile polinoamelor sunt ; funcțiile cu proprietatea (P) sunt constantele; la problema 4 se folosește integrarea prin părți.
Olimpiada Națională de Matematică este organizată de Ministerul Educației împreună cu Societatea de Științe Matematice din România (SSMR) și are trei etape: locală, județeană (și a sectoarelor municipiului București) și națională. La etapa națională din 2023 (ediția a 73-a), desfășurată la Craiova, proba pentru clasa a XII-a a avut loc pe 11 aprilie 2023, cu elevii calificați de la etapa județeană. Subiectul a avut 4 probleme, iar conform baremului oficial fiecare problemă este notată cu 7 puncte (punctaj maxim 28). Rezultatele de la etapa națională contează și pentru selecția lotului care participă la barajele pentru olimpiadele internaționale.
Cum să folosești pagina: citește enunțul, încearcă singur cel puțin 30–40 de minute (sunt probleme de nivel național), apoi deschide soluția. Punctajele din paranteze sunt cele din baremul oficial — așa vezi ce pași contează la corectare. Orice altă soluție corectă primește punctajul maxim.
Problema 1 (7 puncte · grupuri finite, grupul (ℤn, +))
Fie un grup finit de ordinul , unde . Vom spune că grupul este aranjabil dacă există o ordonare a elementelor sale, astfel încât
a) Determinați toate numerele naturale nenule pentru care grupul este aranjabil. b) Dați un exemplu de grup de ordin par care este aranjabil.
Vezi soluția (după baremul oficial)
a) Vom arăta că grupul este un grup aranjabil dacă și numai dacă este un număr natural impar.
Dacă este un grup aranjabil abelian, atunci, considerând aranjarea din definiție, avem
(unde ), astfel că , unde 1 este elementul neutru al grupului . (2 p)
În orice grup abelian finit avem că produsul tuturor elementelor sale este egal cu produsul elementelor sale de ordin 2. Pentru , dacă cu , înseamnă că , adică divide , dar nu divide . Acest lucru este posibil doar dacă este par și . Astfel, dacă este par, cu , și ar fi aranjabil, am avea
ceea ce este fals. Prin urmare, dacă este par, grupul nu este aranjabil. (1 p)
Fie acum un număr natural impar. Considerăm mulțimea și funcția definită prin . Cum
funcția este injectivă și, cum cele două mulțimi sunt finite cu același număr de elemente, este bijectivă. Notând pentru orice și , rezultă că pentru orice , astfel că
de unde deducem că grupul este aranjabil. (1 p)
Mulțimea numerelor naturale cu proprietatea că grupul este aranjabil este prin urmare mulțimea numerelor naturale impare (). (1 p)
b) Conform punctului a), nu există grupuri aranjabile ciclice de ordin par. Considerăm , și grupul , cu operația de adunare pe componente. Atunci, cu
sumele sunt, în ordine, , , , , , , , , adică din nou toate elementele lui . Astfel, este un grup aranjabil de ordin 8. (2 p)
Problema 2 (7 puncte · corpuri finite, polinoame, morfismul lui Frobenius)
Fie un număr prim, un număr natural nedivizibil prin , iar un corp comutativ cu elemente, cu elementul unitate și elementul nul . Pentru orice notăm și definim polinomul
a) Arătați că mulțimea rădăcinilor polinomului este . b) Fie oarecare. Determinați mulțimea rădăcinilor din corpul ale polinomului .
Vezi soluția (după baremul oficial)
a) Pentru orice polinom notăm cu mulțimea rădăcinilor sale din . Deoarece , caracteristica corpului este . Atunci pentru orice multiplu al lui . În particular, cum pentru orice (mica teoremă a lui Fermat), avem
pentru orice . Prin urmare . De asemenea, deoarece este un corp comutativ, . Rezultă . (2 p)
b) Deoarece pentru orice , rezultă pentru orice și, inductiv, pentru orice și orice . Atunci pentru orice avem:
(2 p)
Arătăm prin inducție după că pentru orice , ceea ce va rezolva problema. Pentru am arătat acest lucru la a). Presupunem că proprietatea are loc pentru un oarecare. Pentru orice avem
astfel că . (1 p)
Fie oarecare. Atunci , deci . Prin urmare, există astfel încât . Obținem și
și, inductiv, dacă , atunci . În grupul multiplicativ avem pentru orice , astfel că pentru orice element . Atunci , astfel că . (1 p)
Cum însă nu se divide prin caracteristica , rezultă . Dar atunci și . Am obținut deci și incluziunea inversă și are loc egalitatea . Proprietatea are loc atunci pentru orice . (1 p)
Răspuns: pentru orice , rădăcinile lui din sunt .
Problema 3 (7 puncte · integrala Riemann, sume Riemann)
Fie , cu , două numere reale oarecare. Spunem că o funcție are proprietatea dacă este o funcție integrabilă pe , cu proprietatea că
Arătați că pentru orice număr real există o unică funcție cu proprietatea , astfel încât .
Vezi soluția (după baremul oficial)
Vom arăta că funcțiile cu proprietatea sunt exact funcțiile constante pe intervalul . Egalitatea din enunț se transcrie echivalent
Arătăm că pentru orice și orice are loc egalitatea
Pentru , aceasta este exact relația (1). Dacă presupunem egalitatea adevărată pentru un număr natural și orice , aplicând (1) fiecărui termen al sumei, avem
(3 p)
Considerăm, pentru și oarecare, diviziunea
cu norma , și sistemul de puncte intermediare
Atunci relația (2) se transcrie sub forma
unde este suma Riemann asociată funcției , diviziunii și sistemului de puncte intermediare . Cum funcția este integrabilă Riemann pe , avem , astfel că
Orice funcție cu proprietatea este deci constantă. (2 p)
Reciproc, orice funcție constantă pe intervalul este integrabilă Riemann și verifică egalitatea din enunț. (1 p)
Pentru orice există atunci o unică funcție cu proprietatea , anume , pentru orice , astfel încât . (1 p)
Problema 4 (7 puncte · integrale, integrarea prin părți, funcții convexe)
Fie o funcție monoton crescătoare, derivabilă, cu derivata continuă, pentru care . Fie funcția definită prin
a) Arătați că . b) Demonstrați că pentru orice funcție , convexă și derivabilă, cu și , are loc inegalitatea .
Vezi soluția (după baremul oficial)
a) Deoarece , rezultă că
(2 p)
b) Fie o funcție convexă și derivabilă cu și . Atunci funcția este crescătoare. Funcția fiind monoton crescătoare și derivabilă, are derivata nenegativă. Rezultă că pentru orice avem
Integrând inegalitatea de mai sus, obținem
(2 p)
Funcția este continuă, fiind compusă de funcții continue, astfel că este primitivabilă și integrabilă, iar o primitivă a sa este funcția , . Integrând prin părți, avem:
(1 p)
Din definiția funcției , inegalitatea (3) și identitatea (4) rezultă atunci că
(2 p)
Răspunsuri pe scurt
Problema
Răspuns
1
a) impar; b)
2
a) demonstrație; b)
3
(unica funcție)
4
a) ; b) demonstrație
Ce capitole verifică subiectul
Problema
Temă
1
Grupuri finite, grupul , elemente de ordin 2
2
Corpuri finite, polinoame, mica teoremă a lui Fermat
3
Integrala Riemann, sume Riemann, inducție
4
Integrale definite, integrarea prin părți, funcții convexe
Întrebări frecvente
Ce probleme s-au dat la olimpiada de matematică 2023, etapa națională, clasa a XII-a? Patru probleme: grupuri finite „aranjabile” și grupul , rădăcinile unor polinoame peste un corp finit cu elemente, funcțiile integrabile cu și o inegalitate integrală cu o funcție convexă.
Cum se punctează proba la olimpiada de matematică, etapa națională 2023? Subiectul are 4 probleme, iar conform baremului oficial fiecare problemă valorează 7 puncte, deci punctajul maxim este 28. Se acordă puncte și pentru rezolvările parțiale, după barem, iar orice soluție corectă diferită de cea oficială se punctează corespunzător.
Unde găsesc baremul oficial al olimpiadei de matematică, etapa națională 2023? Soluțiile și baremele de corectare pentru clasele IX–XII sunt documente oficiale ale Ministerului Educației și ale Societății de Științe Matematice din România (SSMR), publicate pe ssmr.ro după concurs; enunțurile problemelor sunt incluse în aceleași documente. Pe această pagină, fiecare pas al soluției are punctajul din barem.