IMO 1974 · Problem 4
Consider decompositions of an \(8 \times 8\) chessboard into \(p\) non-overlapping rectangles subject to the following conditions:
(i) Each rectangle has as many white squares as black squares.
(ii) If \(a_i\) is the number of white squares in the \(i\)-th rectangle, then \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\). Find the maximum value of \(p\) for which such a decomposition is possible. For this value of \(p\), determine all possible sequences \(a_1,a_2,\ldots,a_p\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The maximum is \(\boxed{p=7}\). All possible sequences are \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
Solution
There are \(32\) white squares. Each rectangle contains a positive integer number of white squares, so \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] Since the \(a_i\) are strictly increasing positive integers, \(a_i\ge i\). Hence \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] As \(1+\cdots+8=36\), we obtain \(p\le7\).
Suppose \(p=7\), and put \(b_i=a_i-i\). Then \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] The positive terms of this nondecreasing sequence must be one of \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] Indeed, these are all the partitions of \(4\). Inserting leading zeros and adding \(i\) to the \(i\)-th term gives precisely \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
The first sequence is impossible. Its rectangle with \(11\) white squares would also contain \(11\) black squares, giving area \(22\). The only integer side lengths for such a rectangle are \(1,22\) or \(2,11\), up to interchange; neither rectangle fits in an \(8\times8\) board.
It remains to construct decompositions for the other four sequences.
Divide each row of the board into four horizontal dominoes, each consisting of two adjacent squares. Each domino contains exactly one white and one black square. In the arrays below, each entry represents one such domino, and all dominoes with the same label form one rectangle. Thus each array represents the entire \(8\times8\) board.
For \((1,2,3,4,5,7,10)\) and \((1,2,3,4,5,8,9)\), respectively, use \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
For \((1,2,3,4,6,7,9)\) and \((1,2,3,5,6,7,8)\), respectively, use \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
In every array, the occurrences of each label \(a\) form a rectangular block containing exactly \(a\) dominoes. Consequently, the corresponding rectangle contains exactly \(a\) white and \(a\) black squares. The seven rectangles cover the board without overlap, and their white-square counts are the required distinct numbers.
Thus \(p=7\) is attainable, and exactly the four stated sequences occur.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1974 · Aufgabe 4
Betrachte Zerlegungen eines \(8 \times 8\)-Schachbretts in \(p\) einander nicht überlappende Rechtecke unter den folgenden Bedingungen:
(i) Jedes Rechteck enthält ebenso viele weiße wie schwarze Felder.
(ii) Ist \(a_i\) die Anzahl der weißen Felder im \(i\)-ten Rechteck, so gilt \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\). Bestimme den größten Wert von \(p\), für den eine solche Zerlegung möglich ist. Bestimme für diesen Wert von \(p\) alle möglichen Folgen \(a_1,a_2,\ldots,a_p\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Der größte Wert ist \(\boxed{p=7}\). Alle möglichen Folgen sind \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
Lösung
Es gibt \(32\) weiße Felder. Jedes Rechteck enthält eine positive ganzzahlige Anzahl weißer Felder, also gilt \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] Da die \(a_i\) streng aufsteigende positive ganze Zahlen sind, gilt \(a_i\ge i\). Daher ist \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] Wegen \(1+\cdots+8=36\) erhalten wir \(p\le7\).
Wir nehmen \(p=7\) an und setzen \(b_i=a_i-i\). Dann gilt \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] Die positiven Glieder dieser monoton wachsenden Folge müssen eine der folgenden Folgen bilden: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] Dies sind nämlich alle Partitionen von \(4\). Durch Voranstellen von Nullen und Addition von \(i\) zum \(i\)-ten Glied erhält man genau \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
Die erste Folge ist unmöglich. Ihr Rechteck mit \(11\) weißen Feldern müsste auch \(11\) schwarze Felder enthalten und hätte damit den Flächeninhalt \(22\). Die einzigen ganzzahligen Seitenlängen eines solchen Rechtecks sind, bis auf Vertauschung, \(1,22\) oder \(2,11\); keines dieser Rechtecke passt auf ein \(8\times8\)-Brett.
Es bleibt, Zerlegungen für die anderen vier Folgen zu konstruieren.
Wir teilen jede Zeile des Bretts in vier waagerechte Dominosteine auf, die jeweils aus zwei benachbarten Feldern bestehen. Jeder Dominostein enthält genau ein weißes und ein schwarzes Feld. In den folgenden Anordnungen steht jeder Eintrag für einen solchen Dominostein, und alle Dominosteine mit derselben Beschriftung bilden ein Rechteck. Somit stellt jede Anordnung das gesamte \(8\times8\)-Brett dar.
Für \((1,2,3,4,5,7,10)\) bzw. \((1,2,3,4,5,8,9)\) verwenden wir \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
Für \((1,2,3,4,6,7,9)\) bzw. \((1,2,3,5,6,7,8)\) verwenden wir \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
In jeder Anordnung bilden die Einträge mit derselben Beschriftung \(a\) einen rechteckigen Block, der genau \(a\) Dominosteine enthält. Folglich enthält das entsprechende Rechteck genau \(a\) weiße und \(a\) schwarze Felder. Die sieben Rechtecke bedecken das Brett ohne Überlappung, und ihre Anzahlen weißer Felder sind die geforderten verschiedenen Zahlen.
Somit ist \(p=7\) erreichbar, und es treten genau die vier angegebenen Folgen auf.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1974 · Soru 4
Bir \(8 \times 8\) satranç tahtasının, aşağıdaki koşulları sağlayan ve birbiriyle örtüşmeyen \(p\) dikdörtgene ayrılışlarını ele alalım:
(i) Her dikdörtgende beyaz kare sayısı siyah kare sayısına eşittir.
(ii) \(a_i\), \(i\). dikdörtgendeki beyaz kare sayısı olmak üzere \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\) olur. Böyle bir ayrılışın mümkün olduğu en büyük \(p\) değerini bulunuz. Bu \(p\) değeri için mümkün olan tüm \(a_1,a_2,\ldots,a_p\) dizilerini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
En büyük değer \(\boxed{p=7}\)'dir. Mümkün olan tüm diziler şunlardır: \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
Çözüm
\(32\) beyaz kare vardır. Her dikdörtgendeki beyaz kare sayısı pozitif bir tam sayı olduğundan \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] \(a_i\)'ler kesin artan pozitif tam sayılar olduğundan \(a_i\ge i\) olur. Bu nedenle \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] \(1+\cdots+8=36\) olduğundan \(p\le7\) elde ederiz.
\(p=7\) olduğunu varsayalım ve \(b_i=a_i-i\) olsun. O hâlde \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] Bu azalmayan dizinin pozitif terimleri aşağıdakilerden biri olmalıdır: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] Gerçekten de bunlar \(4\)'ün tüm parçalanışlarıdır. Başlarına sıfırlar ekleyip \(i\). terime \(i\) ekleyince tam olarak şu dizileri elde ederiz: \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
İlk dizi mümkün değildir. Bu dizideki \(11\) beyaz kare içeren dikdörtgen, \(11\) siyah kare de içereceğinden alanı \(22\) olurdu. Böyle bir dikdörtgenin tam sayı olan kenar uzunlukları, yer değiştirme dışında, yalnızca \(1,22\) veya \(2,11\) olabilir; bu iki dikdörtgenden hiçbiri bir \(8\times8\) tahtaya sığmaz.
Geriye diğer dört dizi için ayrılışlar oluşturmak kalıyor.
Tahtanın her satırını, her biri yan yana iki kareden oluşan dört yatay dominoya ayıralım. Her domino tam olarak bir beyaz ve bir siyah kare içerir. Aşağıdaki tablolarda her öğe böyle bir dominoyu temsil eder ve aynı etiketli tüm dominolar bir dikdörtgen oluşturur. Dolayısıyla her tablo \(8\times8\) tahtanın tamamını temsil eder.
\((1,2,3,4,5,7,10)\) ve \((1,2,3,4,5,8,9)\) için sırasıyla şu tabloları kullanalım: \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
\((1,2,3,4,6,7,9)\) ve \((1,2,3,5,6,7,8)\) için sırasıyla şu tabloları kullanalım: \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
Her tabloda, aynı \(a\) etiketini taşıyan öğeler tam olarak \(a\) domino içeren dikdörtgen bir blok oluşturur. Dolayısıyla karşılık gelen dikdörtgen tam olarak \(a\) beyaz ve \(a\) siyah kare içerir. Yedi dikdörtgen tahtayı örtüşmeden kaplar ve beyaz kare sayıları istenen farklı sayılardır.
Böylece \(p=7\) değerine ulaşılabilir ve tam olarak belirtilen dört dizi elde edilir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1974 · Problema 4
Consideremos las descomposiciones de un tablero de ajedrez de \(8 \times 8\) en \(p\) rectángulos que no se superponen, sujetas a las siguientes condiciones:
(i) Cada rectángulo tiene tantas casillas blancas como negras.
(ii) Si \(a_i\) es el número de casillas blancas del \(i\)-ésimo rectángulo, entonces \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\). Hallar el valor máximo de \(p\) para el que es posible tal descomposición. Para este valor de \(p\), determinar todas las sucesiones posibles \(a_1,a_2,\ldots,a_p\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
El máximo es \(\boxed{p=7}\). Todas las sucesiones posibles son \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
Solución
Hay \(32\) casillas blancas. Cada rectángulo contiene un número entero positivo de casillas blancas, de modo que \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] Como los \(a_i\) son enteros positivos estrictamente crecientes, \(a_i\ge i\). Por tanto, \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] Como \(1+\cdots+8=36\), obtenemos \(p\le7\).
Supongamos que \(p=7\) y sea \(b_i=a_i-i\). Entonces \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] Los términos positivos de esta sucesión no decreciente deben formar una de las siguientes sucesiones: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] En efecto, estas son todas las particiones de \(4\). Insertando ceros al principio y sumando \(i\) al \(i\)-ésimo término, se obtiene precisamente \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
La primera sucesión es imposible. Su rectángulo con \(11\) casillas blancas contendría también \(11\) casillas negras, por lo que tendría área \(22\). Las únicas longitudes enteras posibles de los lados de tal rectángulo son \(1,22\) o \(2,11\), salvo intercambio; ninguno de estos rectángulos cabe en un tablero de \(8\times8\).
Queda por construir descomposiciones para las otras cuatro sucesiones.
Dividamos cada fila del tablero en cuatro dominós horizontales, cada uno formado por dos casillas adyacentes. Cada dominó contiene exactamente una casilla blanca y una negra. En las matrices siguientes, cada entrada representa uno de estos dominós, y todos los dominós con la misma etiqueta forman un rectángulo. Así pues, cada matriz representa el tablero completo de \(8\times8\).
Para \((1,2,3,4,5,7,10)\) y \((1,2,3,4,5,8,9)\), respectivamente, usamos \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
Para \((1,2,3,4,6,7,9)\) y \((1,2,3,5,6,7,8)\), respectivamente, usamos \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
En cada matriz, las apariciones de cada etiqueta \(a\) forman un bloque rectangular que contiene exactamente \(a\) dominós. En consecuencia, el rectángulo correspondiente contiene exactamente \(a\) casillas blancas y \(a\) casillas negras. Los siete rectángulos cubren el tablero sin superponerse, y sus cantidades de casillas blancas son los números distintos requeridos.
Por tanto, \(p=7\) es alcanzable, y se obtienen exactamente las cuatro sucesiones indicadas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1974 · 问题 4
考虑将一个 \(8 \times 8\) 的棋盘分割成 \(p\) 个互不重叠的矩形,且满足以下条件:
(i) 每个矩形中的白格数与黑格数相等。
(ii) 若 \(a_i\) 是第 \(i\) 个矩形中的白格数,则 \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\)。求使这种分割成为可能的 \(p\) 的最大值。对于这个 \(p\) 值,求出所有可能的数列 \(a_1,a_2,\ldots,a_p\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
最大值为 \(\boxed{p=7}\)。所有可能的数列为 \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
解答
棋盘共有 \(32\) 个白格。每个矩形中的白格数都是正整数,因此 \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] 由于 \(a_i\) 是严格递增的正整数,\(a_i\ge i\)。故 \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] 由 \(1+\cdots+8=36\),得 \(p\le7\)。
假设 \(p=7\),并令 \(b_i=a_i-i\)。则 \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] 这个非递减数列中的正项必为以下之一: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] 事实上,这些就是 \(4\) 的所有整数分拆。在前面补上零,再给第 \(i\) 项加上 \(i\),恰好得到 \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
第一个数列不可能实现。其中含有 \(11\) 个白格的矩形也应含有 \(11\) 个黑格,因此面积为 \(22\)。不计两边的次序,这样的矩形的整数边长只能是 \(1,22\) 或 \(2,11\);这两种矩形都无法放入 \(8\times8\) 的棋盘中。
剩下只需为其余四个数列构造分割。
将棋盘的每一行分成四块横放的多米诺骨牌,每块由两个相邻方格组成。每块骨牌恰好包含一个白格和一个黑格。在下面的数组中,每个数表示一块这样的骨牌,标有相同数字的所有骨牌组成一个矩形。因此,每个数组都表示整个 \(8\times8\) 的棋盘。
对于 \((1,2,3,4,5,7,10)\) 和 \((1,2,3,4,5,8,9)\),分别使用 \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
对于 \((1,2,3,4,6,7,9)\) 和 \((1,2,3,5,6,7,8)\),分别使用 \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
在每个数组中,每个标号 \(a\) 所在的位置都组成一个矩形块,其中恰好包含 \(a\) 块骨牌。因此,对应的矩形恰好包含 \(a\) 个白格和 \(a\) 个黑格。这七个矩形互不重叠地覆盖整个棋盘,且它们的白格数正是所要求的互不相同的数。
因此,\(p=7\) 可以达到,且恰好只有所列的四个数列能够出现。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1974 · Задача 4
Рассмотрим разбиения шахматной доски \(8 \times 8\) на \(p\) неперекрывающихся прямоугольников, удовлетворяющие следующим условиям:
(i) В каждом прямоугольнике столько же белых клеток, сколько чёрных.
(ii) Если \(a_i\) — число белых клеток в \(i\)-м прямоугольнике, то \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\). Найдите наибольшее значение \(p\), при котором такое разбиение возможно. Для этого значения \(p\) определите все возможные последовательности \(a_1,a_2,\ldots,a_p\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Наибольшее значение равно \(\boxed{p=7}\). Все возможные последовательности: \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
Решение
На доске \(32\) белые клетки. Каждый прямоугольник содержит положительное целое число белых клеток, поэтому \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] Поскольку \(a_i\) — строго возрастающие положительные целые числа, \(a_i\ge i\). Следовательно, \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] Так как \(1+\cdots+8=36\), получаем \(p\le7\).
Предположим, что \(p=7\), и положим \(b_i=a_i-i\). Тогда \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] Положительные члены этой неубывающей последовательности должны образовывать одну из следующих последовательностей: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] Действительно, это все разбиения числа \(4\). Дописывая в начале нули и прибавляя \(i\) к \(i\)-му члену, получаем в точности \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
Первая последовательность невозможна. Соответствующий ей прямоугольник с \(11\) белыми клетками содержал бы также \(11\) чёрных клеток, то есть имел бы площадь \(22\). Единственные возможные целочисленные длины сторон такого прямоугольника — \(1,22\) или \(2,11\), с точностью до перестановки; ни один из этих прямоугольников не помещается на доске \(8\times8\).
Остаётся построить разбиения для остальных четырёх последовательностей.
Разобьём каждый ряд доски на четыре горизонтальные костяшки домино, каждая из которых состоит из двух соседних клеток. Каждая костяшка содержит ровно одну белую и одну чёрную клетку. В приведённых ниже таблицах каждый элемент обозначает одну такую костяшку, а все костяшки с одинаковой меткой образуют один прямоугольник. Таким образом, каждая таблица изображает всю доску \(8\times8\).
Для \((1,2,3,4,5,7,10)\) и \((1,2,3,4,5,8,9)\) соответственно используем \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
Для \((1,2,3,4,6,7,9)\) и \((1,2,3,5,6,7,8)\) соответственно используем \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
В каждой таблице все элементы с одной и той же меткой \(a\) образуют прямоугольный блок, содержащий ровно \(a\) костяшек. Следовательно, соответствующий прямоугольник содержит ровно \(a\) белых и \(a\) чёрных клеток. Семь прямоугольников покрывают доску без перекрытий, а количества белых клеток в них равны требуемым различным числам.
Таким образом, значение \(p=7\) достижимо, и возможны в точности четыре указанные последовательности.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1974 · المسألة 4
ننظر في تقسيمات رقعة شطرنج أبعادها \(8 \times 8\) إلى \(p\) مستطيلات غير متداخلة، تخضع للشروط الآتية:
(i) يحتوي كل مستطيل على عدد من المربعات البيضاء يساوي عدد المربعات السوداء فيه.
(ii) إذا كان \(a_i\) عدد المربعات البيضاء في المستطيل ذي الرقم \(i\)، فإن \(a_1 < a_2 < \cdots < a_p\). أوجد أكبر قيمة للعدد \(p\) يمكن من أجلها إجراء مثل هذا التقسيم. ولهذه القيمة من \(p\)، حدد جميع المتتاليات الممكنة \(a_1,a_2,\ldots,a_p\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
القيمة العظمى هي \(\boxed{p=7}\). وجميع المتتاليات الممكنة هي \[ \boxed{ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned}} \]
الحل
يوجد \(32\) مربعًا أبيض. ويحتوي كل مستطيل على عدد صحيح موجب من المربعات البيضاء، ولذلك \[ a_1+\cdots+a_p=32. \] بما أن الأعداد \(a_i\) أعداد صحيحة موجبة متزايدة تمامًا، فإن \(a_i\ge i\). ومن ثم \[ 32\ge 1+2+\cdots+p=\frac{p(p+1)}2. \] ولأن \(1+\cdots+8=36\)، نحصل على \(p\le7\).
نفترض أن \(p=7\)، ونضع \(b_i=a_i-i\). عندئذ \[ 0\le b_1\le b_2\le\cdots\le b_7, \qquad b_1+\cdots+b_7=32-28=4. \] لا بد أن تكون الحدود الموجبة لهذه المتتالية غير المتناقصة إحدى المتتاليات الآتية: \[ (4),\quad (1,3),\quad (2,2),\quad (1,1,2),\quad (1,1,1,1). \] فهذه هي بالفعل جميع تجزئات العدد \(4\). وبإدراج أصفار في البداية وإضافة \(i\) إلى الحد ذي الرقم \(i\)، نحصل بالضبط على \[ \begin{aligned} &(1,2,3,4,5,6,11),\\ &(1,2,3,4,5,7,10),\\ &(1,2,3,4,5,8,9),\\ &(1,2,3,4,6,7,9),\\ &(1,2,3,5,6,7,8). \end{aligned} \]
المتتالية الأولى مستحيلة. فالمستطيل الذي يحتوي على \(11\) مربعًا أبيض سيحتوي أيضًا على \(11\) مربعًا أسود، فتكون مساحته \(22\). والأطوال الصحيحة الوحيدة لضلعي مثل هذا المستطيل هي \(1,22\) أو \(2,11\)، مع إمكان تبادل الضلعين؛ ولا يتسع لأي من المستطيلين لوح أبعاده \(8\times8\).
يبقى أن ننشئ تقسيمات للمتتاليات الأربع الأخرى.
نقسم كل صف من الرقعة إلى أربع قطع دومينو أفقية، تتكون كل منها من مربعين متجاورين. تحتوي كل قطعة دومينو على مربع أبيض واحد ومربع أسود واحد بالضبط. في المصفوفات أدناه، يمثل كل عنصر قطعة دومينو واحدة من هذا النوع، وتشكل جميع قطع الدومينو التي تحمل الرمز نفسه مستطيلًا واحدًا. وهكذا تمثل كل مصفوفة رقعة \(8\times8\) بأكملها.
للمتتاليتين \((1,2,3,4,5,7,10)\) و\((1,2,3,4,5,8,9)\)، على الترتيب، نستخدم \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&4&7&3\\ 4&4&7&3\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5\\ 10&10&7&5 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&3\\ 4&8&8&5\\ 4&8&8&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5\\ 9&9&9&5 \end{array}. \]
للمتتاليتين \((1,2,3,4,6,7,9)\) و\((1,2,3,5,6,7,8)\)، على الترتيب، نستخدم \[ \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 7&4&4&3\\ 7&4&4&3\\ 7&6&6&6\\ 7&6&6&6\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9\\ 7&9&9&9 \end{array} \qquad\qquad \begin{array}{rrrr} 1&2&2&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&3\\ 6&6&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5\\ 8&8&7&5 \end{array}. \]
في كل مصفوفة، تشكل مواضع ظهور كل رمز \(a\) كتلة مستطيلة تحتوي على \(a\) قطعة دومينو بالضبط. وبناءً عليه، يحتوي المستطيل المقابل على \(a\) مربع أبيض و\(a\) مربع أسود بالضبط. وتغطي المستطيلات السبعة الرقعة دون تداخل، وأعداد مربعاتها البيضاء هي الأعداد المتمايزة المطلوبة.
إذن يمكن تحقيق \(p=7\)، والمتتاليات الممكنة هي المتتاليات الأربع المذكورة بالضبط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).