Find the following limit:

\[
\lim_{n \to \infty} \left( \frac{\sum_{k=1}^{n+2} k^k}{\sum_{k=1}^{n+1} k^k} – \frac{\sum_{k=1}^{n+1} k^k}{\sum_{k=1}^{n} k^k} \right)
\]

The best solution was submitted by 문강연 (KAIST 수리과학과 22학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-21.

Other solutions were submitted by 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김준홍 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), Adnan Sadik (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +2), 서성욱 (대전동산고 2학년, +2).

Can we find a sequence \(a_i, i=0,1,2,…\) with the following property: for each given integer \(n\geq 0\), we have \[\lim_{L\to +\infty}\sum_{i=0}^L 2^{ni} |a_i|\leq 23^{(n+11)^{10}} \quad \text{ and }\quad \lim_{L\to +\infty}\sum_{i=0}^L 2^{ni} a_i = (-1)^n ?\]

The best solution was submitted by 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-20.

Another solution was submitted by 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +2).

Let \( N \) be the number of ordered tuples of positive integers \( (a_1, a_2, \dots, a_{27}) \) such that \( \frac{1}{a_1} + \frac{1}{a_2} + \dots + \frac{1}{a_{27}} = 1\). Compute the remainder of \( N \) when \( N \) is divided by \(33 \).

The best solution was submitted by 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-19.

Other solutions were submitted by 강지민 (세마고 3학년, +3), 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김준홍 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), Adnan Sadik (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), Dzhamalov Omurbek (KAIST 전산학부 22학번, +3), Kharchenka Yuliya (KAIST 물리학과 22학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3), Aiden Stock (+3).

Find all integers \( n \geq 8 \) such that there exists a simple graph with \( n \) vertices whose degrees are as follows:

(i) \( (n-4) \) vertices of the graph are with degrees \( 4, 5, 6, \dots, n-2, n-1 \), respectively.

(ii) The other \( 4 \) vertices are with degrees \( n-2, n-2, n-1, n-1 \), respectively.

The best solution was submitted by 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-18.

Other solutions were submitted by 강지민 (세마고 3학년, +3), 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 나경민 (KAIST 전산학부 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 전해구 (KAIST 기계공학과 졸업생, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), 최민규 (한양대학교 의과대학 졸업생, +3), Adnan Sadik (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), Dzhamalov Omurbek (KAIST 전산학부 22학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3).

Let \(f(x) = x^4 + (2-a)x^3 – (2a+1)x^2 + (a-2)x + 2a\) for some \(a \geq 2\). Draw two tangent lines of its graph at the point \((-1,0)\) and \((1,0)\) and let \(P\) be the intersection point. Denote by \(T\) the area of the triangle whose vertices are \((-1,0), (1,0)\) and \(P\). Let \(A\) be the area of domain enclosed by the interval \([-1,1]\) and the graph of the function on this interval. Show that \(T \leq 3A/2.\)

The best solution was submitted by 서성욱(동산고 2학년, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-17.

Other solutions were submitted by 강지민 (세마고 3학년, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 여인영 (KAIST 물리학과 20학번, +3), 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), 최민규 (한양대학교 의과대학 졸업생, +3), Adnan Sadik (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3).

Define the sequence \( x_n \) by \( x_1 = 0 \) and
\[
x_n = x_{\lfloor n/2 \rfloor} + (-1)^{n(n+1)/2}
\]
for \( n \geq 2\). Find the number of \( n \leq 2023 \) such that \( x_n = 0 \).

The best solution was submitted by 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-16.

Other solutions were submitted by 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김준홍 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 서성욱 (동산고 2학년, +3), 여인영 (KAIST 물리학과 20학번, +3),이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 전해규 (KAIST 기계공학과 졸업생, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +3), 최백규 (KAIST 생명과학과 박사과정 20학번, +3), Adnan Sadik (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3), 강지민 (세마고 3학년, +2), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +2), 최민규 (한양대학교 의과대학 졸업생, +2), Eun Chan (+2).

Let \(p(z), q(z) \) and \(r(z)\) be polynomials with complex coefficients in the complex plane. Suppose that \(|p(z)| + |q(z)| \leq |r(z)|\) for every \(z\). Show that there exist two complex numbers \( a,b \) such that \(|a|^2 +|b|^2 =1\) and \( a p(z) + bq(z) =0 \) for every \(z\).

The best solution was submitted by 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-15.

Other solutions were submitted by 강지민 (세마고 3학년, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 신민서 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 여인영 (KAIST 물리학과 20학번, +3),이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 최민규 (한양대학교 의과대학 졸업생, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), Anar Rzayev (KAIST 전산학부 19학번, +3), Muhammadfiruz Hasanov (+3).

Let \(f(t)=(t^{pq}-1)(t-1) \) and \(g(t)=(t^{p}-1)(t^q-1) \) where \(p\) and \(q\) are relatively prime positive integers. Prove that \(\frac{f(t)}{g(t)}\) can be written as a polynomial where it has just \(1\) or \(-1\) as coefficients. (For example, when \(p=2\) and \(q=3\), we have that \(\frac{f(t)}{g(t)} = t^2-t+1\).)

The best solution was submitted by 김준홍 (KAIST 수리과학과 20학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-14.

Other solutions were submitted by 강지민 (세마고 3학년, +3), 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +3), 전해구 (KAIST 기계공학과 졸업생, +3), 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +4), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), Anar Rzayev (KAIST 전산학부 19학번, +3). Muhammadfiruz Hasanov (+3).

Prove or disprove the existence of a function \( f:[0, 1] \to [0, 1] \) with the following property:

for any interval \( (a, b) \subset [0, 1] \) with \( a<b \), \( f((a, b)) = [0, 1] \).

The best solution was submitted by 조현준 (KAIST 수리과학과 22학번, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-13.

Other solutions were submitted by 김기수 (KAIST 수리과학과 18학번, +3), 김민서 (KAIST 수리과학과 19학번, +3), 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박기윤 (KAIST 새내기과정학부 23학번, +3), 박준성 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 22학번, +3), 오동언 (서울대학교 의과대학 19하번, +3), 이도현 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 23학번, +3), 지은성 (KAIST 수리과학과 20학번, +3), Eun U (+3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +2), 이명규 (KAIST 전산학부 20학번, +2), Anar Rzayev (KAIST 전산학부 19학번, +2). There were incorrect solutions.

Let \(p\) be a prime number at least three and let \(k\) be a positive integer smaller than \(p\). Given \(a_1,\dots, a_k\in \mathbb{F}_p\) and distinct elements \(b_1,\dots, b_k\in \mathbb{F}_p\), prove that there exists a permutation \(\sigma\) of \([k]\) such that the values of \(a_i + b_{\sigma(i)}\) are distinct modulo \(p\).

The best solution was submitted by 이명규 (KAIST 전산학부, +4). Congratulations!

Here is the best solution of problem 2023-12.

Other solutions were submitted by 김찬우 (연세대학교 수학과 22학번, +3), 박준성 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 22학번, +3), 채지석 (KAIST 수리과학과 석박통합과정 21학번, +3), 최민규 (한양대학교 의학대학 졸업, +3), Anar Rzayev (KAIST 전산학부 19학번, +3). Late solutions were not graded.