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第1题

黑板上写有 20262026 个大于 11 的整数,不一定互不相同。在一次操作中,孔子从黑板的不同位置选取两个整数 m>1m>1 与 n>1n>1,并把这两个整数替换为 lcm⁡(m,n)gcd⁡(m,n)\tfrac{\operatorname{lcm}(m,n)}{\gcd(m,n)} 与 gcd⁡(m,n)\gcd(m,n)。只要还能进行,他就不断继续操作。(a) 求证:无论孔子如何选择,经过有限次操作后,黑板上恰有一个大于 11 的整数 MM。(b) 求证:MM 的值不依赖于孔子的选择。
第 3/4 步:在每个素数的指数上,一次操作就是一步辗转相除
(vp(m),vp(n))=(x,y) ⟼ (min⁡(x,y), ∣x−y∣),gcd⁡(min⁡(x,y),∣x−y∣)=gcd⁡(x,y)(v_p(m),v_p(n))=(x,y)\ \longmapsto\ (\min(x,y),\,|x-y|),\qquad \gcd(\min(x,y),|x-y|)=\gcd(x,y)
详细分析

固定一个素数 pp,记所选两数的 pp 进赋值为 x=vp(m)x=v_p(m)、y=vp(n)y=v_p(n)。则 vp(gcd⁡(m,n))=min⁡(x,y)v_p(\gcd(m,n))=\min(x,y),且 vp(lcm⁡(m,n)/gcd⁡(m,n))=max⁡(x,y)−min⁡(x,y)=∣x−y∣v_p(\operatorname{lcm}(m,n)/\gcd(m,n))=\max(x,y)-\min(x,y)=|x-y|。由于 gcd⁡(min⁡(x,y),∣x−y∣)=gcd⁡(x,y)\gcd(\min(x,y),|x-y|)=\gcd(x,y)(辗转相除法中减法步的标准不变性),黑板上全部 20262026 个赋值 vp(t1),…,vp(t2026)v_p(t_1),\ldots,v_p(t_{2026}) 的最大公约数在每次操作下都保持不变。