IMO 1976 · Problem 3
A rectangular box can be filled completely with unit cubes. If one places as many cubes as possible, each with volume 2, in the box, so that their edges are parallel to the edges of the box, one can fill exactly 40% of the box. Determine the possible dimensions of all such boxes.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The dimensions, up to permutation, are \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{and}\quad2\times5\times6.} \]
Solution
Let the side lengths of the box be \(a,b,c\). They are positive integers: along each edge of the box, the two perpendicular boundary planes force any unit cube meeting that edge in a nonzero segment to contribute a whole unit edge, with its adjacent faces in those planes. These unit edges have disjoint interiors and partition the box edge.
Put \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] The larger cubes have side length \(s\). Since the prescribed filled volume is positive, each box dimension is at least \(s\), and therefore \(a,b,c\ge2\).
We first prove that the maximum number of larger cubes is \[ N=f(a)f(b)f(c). \] A rectangular grid attains this number. For the upper bound, place the box at \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\), and assign to a cube with lower corner \((x,y,z)\) the label \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right). \] Since \(0\le x\le a-s\), the first label has \(f(a)\) possible values; similarly, the other labels have \(f(b)\) and \(f(c)\) possibilities. Two cubes with the same label would have lower coordinates differing by less than \(s\) in every direction, so their interiors would overlap. Thus all labels are distinct, proving the upper bound.
The volume condition now gives \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] Writing \(R(n)=f(n)/n\), we obtain \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
Cubing the endpoints shows that \[ \frac54<s<\frac97. \] Consequently, \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] and, for every positive integer \(n\), \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
We also claim that \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{for every integer }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] Every such integer can be written as \(n=3u+4v\), where \(u,v\) are nonnegative integers: according to its residue modulo \(3\), use \(n=3u\), \(n=3u+4\), or \(n=3u+8\). Hence, using the inequality \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\), \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] This proves (3). Together with \(R(5)=3/5\), it implies \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
If all three dimensions were at least \(3\), then (4) would give \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] contradicting (1). Thus one dimension is \(2\); relabel so that \(a=2\).
There cannot be a second dimension equal to \(2\), because (2) would then give \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] Therefore \(b,c\ge3\), and (1) becomes \[ R(b)R(c)=\frac25. \] If neither \(b\) nor \(c\) were \(5\), (3) would make their product at least \(4/9>2/5\). Thus, after interchanging them if necessary, \(b=5\), and \[ R(c)=\frac23. \]
Since \(f(c)=2c/3\) is an integer, write \(c=3k\), where \(k\) is a positive integer. The equality \(f(3k)=2k\) implies \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] and hence \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] The last inequality follows from \(s<9/7\). Therefore \(k=1\) or \(2\), giving \(c=3\) or \(6\).
Finally, \(f(6)=4\). The two proposed boxes admit unit-cube tilings, and their maximum filled fractions are respectively \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] Thus both work, and the classification is complete.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1976 · Aufgabe 3
Ein Quader lässt sich vollständig mit Einheitswürfeln ausfüllen. Bringt man möglichst viele Würfel mit dem Volumen 2 so in dem Quader unter, dass ihre Kanten parallel zu den Kanten des Quaders sind, so lassen sich genau 40% des Quaders ausfüllen. Bestimme die möglichen Abmessungen aller solchen Quader.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die Abmessungen sind bis auf Vertauschung \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{und}\quad2\times5\times6.} \]
Lösung
Die Kantenlängen des Quaders seien \(a,b,c\). Sie sind positive ganze Zahlen: Entlang jeder Kante des Quaders zwingen die beiden dazugehörigen senkrecht aufeinander stehenden Begrenzungsebenen jeden Einheitswürfel, der diese Kante in einer Strecke positiver Länge schneidet, dazu, eine ganze Einheitskante beizutragen, wobei seine angrenzenden Flächen in diesen Ebenen liegen. Diese Einheitskanten haben paarweise disjunkte Innere und zerlegen die Quaderkante.
Setze \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] Die größeren Würfel haben die Kantenlänge \(s\). Da das vorgegebene ausgefüllte Volumen positiv ist, ist jede Abmessung des Quaders mindestens \(s\), und somit gilt \(a,b,c\ge2\).
Wir beweisen zunächst, dass die maximale Anzahl größerer Würfel gleich \[ N=f(a)f(b)f(c) \] ist. Eine Anordnung in einem rechtwinkligen Gitter erreicht diese Anzahl. Für die obere Schranke legen wir den Quader in \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\) und ordnen einem Würfel mit unterem Eckpunkt \((x,y,z)\) das Kennzeichnungstripel \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right) \] zu. Wegen \(0\le x\le a-s\) kann die erste Komponente \(f(a)\) verschiedene Werte annehmen; entsprechend gibt es für die anderen Komponenten \(f(b)\) bzw. \(f(c)\) Möglichkeiten. Bei zwei Würfeln mit demselben Kennzeichnungstripel würden sich die Koordinaten der unteren Eckpunkte in jeder Richtung um weniger als \(s\) unterscheiden, sodass sich ihre Inneren überschneiden würden. Somit sind alle Kennzeichnungstripel verschieden, womit die obere Schranke bewiesen ist.
Die Volumenbedingung liefert nun \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] Mit \(R(n)=f(n)/n\) erhalten wir \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
Durch Kubieren der Grenzen sieht man, dass \[ \frac54<s<\frac97. \] Folglich gilt \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] und für jede positive ganze Zahl \(n\) gilt \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
Wir behaupten außerdem, dass \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{für jede ganze Zahl }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] Jede solche ganze Zahl lässt sich als \(n=3u+4v\) schreiben, wobei \(u,v\) nichtnegative ganze Zahlen sind: Je nach ihrem Rest modulo \(3\) verwendet man \(n=3u\), \(n=3u+4\) oder \(n=3u+8\). Mit der Ungleichung \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\) folgt daher \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] Dies beweist (3). Zusammen mit \(R(5)=3/5\) ergibt sich daraus \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
Wären alle drei Abmessungen mindestens \(3\), so würde (4) liefern \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] im Widerspruch zu (1). Somit ist eine Abmessung gleich \(2\); durch Umbenennen können wir \(a=2\) annehmen.
Eine zweite Abmessung kann nicht gleich \(2\) sein, denn aus (2) würde dann folgen \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] Daher gilt \(b,c\ge3\), und (1) wird zu \[ R(b)R(c)=\frac25. \] Wären weder \(b\) noch \(c\) gleich \(5\), so wäre ihr Produkt nach (3) mindestens \(4/9>2/5\). Somit gilt nach eventueller Vertauschung \(b=5\), und \[ R(c)=\frac23. \]
Da \(f(c)=2c/3\) eine ganze Zahl ist, schreiben wir \(c=3k\), wobei \(k\) eine positive ganze Zahl ist. Aus der Gleichheit \(f(3k)=2k\) folgt \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] und somit \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] Die letzte Ungleichung folgt aus \(s<9/7\). Daher ist \(k=1\) oder \(2\), also \(c=3\) oder \(6\).
Schließlich gilt \(f(6)=4\). Die beiden angegebenen Quader lassen sich mit Einheitswürfeln ausfüllen, und ihre maximalen ausgefüllten Volumenanteile betragen \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] Somit erfüllen beide die Bedingungen, und die Klassifikation ist vollständig.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1976 · Soru 3
Dikdörtgenler prizması biçimindeki bir kutu birim küplerle tamamen doldurulabilmektedir. Bu kutuya, her birinin hacmi 2 olan küplerden, ayrıtları kutunun ayrıtlarına paralel olacak şekilde mümkün olduğunca çok sayıda yerleştirildiğinde, kutunun tam olarak %40'ı doldurulabilmektedir. Bu özelliğe sahip tüm kutuların olası boyutlarını belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Sıralama gözetilmeksizin boyutlar \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{ve}\quad2\times5\times6} \] şeklindedir.
Çözüm
Kutunun ayrıt uzunlukları \(a,b,c\) olsun. Bunlar pozitif tam sayılardır: kutunun her bir ayrıtı boyunca, birbirine dik iki sınır düzlemi, bu ayrıtla sıfırdan farklı uzunlukta bir doğru parçası boyunca kesişen her birim küpün, bu düzlemlerde bulunan komşu yüzleriyle birlikte, bir tam birim ayrıt vermesini zorunlu kılar. Bu birim ayrıtların içleri ayrıktır ve kutunun ayrıtını parçalara ayırırlar.
Şöyle tanımlayalım: \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] Büyük küplerin ayrıt uzunluğu \(s\)'dir. Belirtilen doldurulmuş hacim pozitif olduğundan, kutunun her bir boyutu en az \(s\)'dir ve dolayısıyla \(a,b,c\ge2\) olur.
Önce büyük küplerin en fazla sayısının \[ N=f(a)f(b)f(c) \] olduğunu kanıtlayalım. Dikdörtgensel bir ızgara düzeniyle bu sayıya ulaşılır. Üst sınır için kutuyu \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\) bölgesine yerleştirelim ve alt köşesi \((x,y,z)\) olan bir küpe \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right) \] etiketini verelim. \(0\le x\le a-s\) olduğundan, etiketin ilk bileşeninin \(f(a)\) olası değeri vardır; benzer biçimde diğer bileşenler için \(f(b)\) ve \(f(c)\) olasılık vardır. Aynı etikete sahip iki küpün alt köşelerinin koordinatları her yönde \(s\)'den daha az fark edeceğinden, içleri kesişirdi. Dolayısıyla tüm etiketler birbirinden farklıdır; bu da üst sınırı kanıtlar.
Hacim koşulu şimdi \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc \] verir. \(R(n)=f(n)/n\) yazarak \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15 \tag{1} \] elde ederiz.
Uç noktaların küpleri alınarak \[ \frac54<s<\frac97 \] olduğu görülür. Dolayısıyla, \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] ve her pozitif \(n\) tam sayısı için \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
Ayrıca şu iddiada bulunuyoruz: \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{şu koşulları sağlayan her tam sayı için: }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] Böyle her tam sayı, \(u,v\) negatif olmayan tam sayılar olmak üzere \(n=3u+4v\) biçiminde yazılabilir: \(3\) modülündeki kalanına göre \(n=3u\), \(n=3u+4\) veya \(n=3u+8\) kullanılır. Dolayısıyla, \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\) eşitsizliğini kullanarak \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3} \] elde ederiz. Bu, (3)'ü kanıtlar. \(R(5)=3/5\) ile birlikte bundan \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3) \tag{4} \] sonucu çıkar.
Üç boyutun hepsi en az \(3\) olsaydı, (4)'ten \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] elde edilirdi; bu da (1) ile çelişir. O hâlde boyutlardan biri \(2\)'dir; yeniden adlandırarak \(a=2\) alalım.
\(2\)'ye eşit ikinci bir boyut olamaz, çünkü bu durumda (2)'den \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15 \] elde edilirdi. Bu nedenle \(b,c\ge3\) olur ve (1) şu hâle gelir: \[ R(b)R(c)=\frac25. \] \(b\) de \(c\) de \(5\)'ten farklı olsaydı, (3) gereği çarpımları en az \(4/9>2/5\) olurdu. Dolayısıyla, gerekirse yerlerini değiştirerek \(b=5\) alabiliriz ve \[ R(c)=\frac23. \]
\(f(c)=2c/3\) bir tam sayı olduğundan, \(k\) pozitif bir tam sayı olmak üzere \(c=3k\) yazalım. \(f(3k)=2k\) eşitliğinden \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] ve dolayısıyla \[ k<\frac{s}{3-2s}<3 \] elde edilir. Son eşitsizlik \(s<9/7\)'den çıkar. Bu nedenle \(k=1\) veya \(2\), dolayısıyla \(c=3\) veya \(6\) olur.
Son olarak, \(f(6)=4\)'tür. Önerilen iki kutu da birim küplerle döşenebilir ve doldurulabilen en büyük hacim oranları sırasıyla \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25 \] olur. Böylece her ikisi de koşulları sağlar ve sınıflandırma tamamlanır.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1976 · Problema 3
Una caja rectangular se puede llenar por completo con cubos unitarios. Si se coloca en la caja el mayor número posible de cubos de volumen 2, de modo que sus aristas sean paralelas a las aristas de la caja, se puede llenar exactamente el 40% de la caja. Determinar las dimensiones posibles de todas estas cajas.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las dimensiones, salvo permutación, son \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{y}\quad2\times5\times6.} \]
Solución
Sean \(a,b,c\) las longitudes de los lados de la caja. Son enteros positivos: a lo largo de cada arista de la caja, los dos planos perpendiculares que delimitan la caja obligan a que cualquier cubo unitario que interseque dicha arista en un segmento de longitud no nula aporte una arista unitaria completa, con sus caras adyacentes contenidas en esos planos. Estas aristas unitarias tienen interiores disjuntos y forman una partición de la arista de la caja.
Sean \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] Los cubos mayores tienen arista de longitud \(s\). Como el volumen ocupado prescrito es positivo, cada dimensión de la caja es al menos \(s\) y, por tanto, \(a,b,c\ge2\).
Demostremos primero que el número máximo de cubos mayores es \[ N=f(a)f(b)f(c). \] Una disposición en una retícula rectangular alcanza este número. Para demostrar la cota superior, situemos la caja en \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\), y asignemos a un cubo con vértice inferior \((x,y,z)\) la etiqueta \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right). \] Como \(0\le x\le a-s\), la primera componente de la etiqueta tiene \(f(a)\) valores posibles; análogamente, las otras componentes tienen \(f(b)\) y \(f(c)\) posibilidades. Dos cubos con la misma etiqueta tendrían las coordenadas de sus vértices inferiores a una distancia menor que \(s\) en cada dirección, por lo que sus interiores se solaparían. Así pues, todas las etiquetas son distintas, lo que demuestra la cota superior.
La condición sobre el volumen da ahora \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] Escribiendo \(R(n)=f(n)/n\), obtenemos \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
Elevando al cubo los extremos se comprueba que \[ \frac54<s<\frac97. \] Por consiguiente, \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] y, para todo entero positivo \(n\), \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
Afirmamos también que \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{para todo entero }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] Todo entero de este tipo se puede escribir como \(n=3u+4v\), donde \(u,v\) son enteros no negativos: según su resto módulo \(3\), usamos \(n=3u\), \(n=3u+4\) o \(n=3u+8\). Por tanto, usando la desigualdad \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\), \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] Esto demuestra (3). Junto con \(R(5)=3/5\), implica \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
Si las tres dimensiones fueran al menos \(3\), entonces (4) daría \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] lo que contradice (1). Por tanto, una dimensión es \(2\); cambiemos la denominación de las dimensiones de modo que \(a=2\).
No puede haber una segunda dimensión igual a \(2\), pues (2) daría entonces \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] Por tanto, \(b,c\ge3\), y (1) se convierte en \[ R(b)R(c)=\frac25. \] Si ni \(b\) ni \(c\) fueran \(5\), por (3) su producto sería al menos \(4/9>2/5\). Así pues, intercambiándolas si es necesario, \(b=5\), y \[ R(c)=\frac23. \]
Como \(f(c)=2c/3\) es un entero, escribimos \(c=3k\), donde \(k\) es un entero positivo. La igualdad \(f(3k)=2k\) implica \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] y, por tanto, \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] La última desigualdad se deduce de \(s<9/7\). Por tanto, \(k=1\) o \(2\), lo que da \(c=3\) o \(6\).
Finalmente, \(f(6)=4\). Las dos cajas propuestas se pueden llenar con cubos unitarios, y sus fracciones máximas de volumen ocupado son, respectivamente, \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] Así pues, ambas cumplen las condiciones, y la clasificación está completa.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1976 · 问题 3
一个长方体盒子可以用单位正方体完全填满。如果在盒中放入尽可能多的体积均为 2 的正方体,使它们的棱平行于盒子的棱,那么恰好可以填充盒子体积的 40%。求所有这样的盒子可能的尺寸。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
不计排列次序,尺寸为 \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{和}\quad2\times5\times6.} \]
解答
设盒子的边长为 \(a,b,c\)。它们都是正整数:沿盒子的每条棱,两个互相垂直的边界平面迫使任何与该棱交于非零长度线段的单位正方体,都以一条完整的单位棱与之重合,且该单位棱的两个相邻面位于这两个平面内。这些单位棱的内部互不相交,并将盒子的这条棱分割。
令 \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] 较大正方体的边长为 \(s\)。由于题设填充体积为正,盒子的每个边长都至少为 \(s\),因此 \(a,b,c\ge2\)。
我们先证明,较大正方体的最大个数为 \[ N=f(a)f(b)f(c). \] 按长方体网格排列即可达到这个个数。为证明上界,将盒子置于 \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\),并给下角顶点为 \((x,y,z)\) 的正方体赋予标号 \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right). \] 由于 \(0\le x\le a-s\),标号的第一个分量有 \(f(a)\) 种可能值;同理,另外两个分量分别有 \(f(b)\) 和 \(f(c)\) 种可能值。若两个正方体的标号相同,则它们下角顶点的坐标在每个方向上的差的绝对值都小于 \(s\),因而它们的内部会重叠。因此,所有标号互不相同,上界得证。
现在,由体积条件得 \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] 记 \(R(n)=f(n)/n\),得到 \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
将两端的数取立方可知 \[ \frac54<s<\frac97. \] 因此, \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] 并且,对每个正整数 \(n\), \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
我们还断言 \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{对每个整数 }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] 每个这样的整数都可以写成 \(n=3u+4v\),其中 \(u,v\) 是非负整数:根据它模 \(3\) 的余数,分别采用 \(n=3u\)、\(n=3u+4\) 或 \(n=3u+8\)。因此,利用不等式 \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\),得 \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] 这就证明了 (3)。结合 \(R(5)=3/5\),可得 \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
若三个边长都至少为 \(3\),则由 (4) 得 \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] 与 (1) 矛盾。因此,有一个边长为 \(2\);重新标记,使 \(a=2\)。
不可能再有一个边长等于 \(2\),否则由 (2) 得 \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] 因此 \(b,c\ge3\),且 (1) 化为 \[ R(b)R(c)=\frac25. \] 若 \(b\) 和 \(c\) 都不等于 \(5\),则由 (3),它们对应的比值之积至少为 \(4/9>2/5\)。因此,必要时交换二者,可设 \(b=5\),于是 \[ R(c)=\frac23. \]
由于 \(f(c)=2c/3\) 是整数,可写成 \(c=3k\),其中 \(k\) 是正整数。由等式 \(f(3k)=2k\) 得 \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] 从而 \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] 最后一个不等式由 \(s<9/7\) 得到。因此 \(k=1\) 或 \(2\),即 \(c=3\) 或 \(6\)。
最后,\(f(6)=4\)。所给出的两种盒子都可以用单位正方体铺满,且它们的最大填充比例分别为 \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] 因此,两者都符合要求,所有情形均已确定。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1976 · Задача 3
Прямоугольный параллелепипед можно полностью заполнить единичными кубами. Если поместить в него максимально возможное число кубов объёма 2 каждый так, чтобы их рёбра были параллельны рёбрам параллелепипеда, то будет заполнено ровно 40% его объёма. Найдите возможные размеры всех таких параллелепипедов.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Размеры с точностью до перестановки равны \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{и}\quad2\times5\times6.} \]
Решение
Пусть длины рёбер параллелепипеда равны \(a,b,c\). Это положительные целые числа: вдоль каждого ребра параллелепипеда две перпендикулярные плоскости его граней вынуждают любой единичный куб, пересекающий это ребро по отрезку ненулевой длины, примыкать к нему целым единичным ребром, причём прилегающие к этому ребру грани куба лежат в этих плоскостях. Внутренние части этих единичных рёбер не пересекаются, и они разбивают ребро параллелепипеда.
Положим \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] Большие кубы имеют ребро длины \(s\). Поскольку заданный заполненный объём положителен, каждый размер параллелепипеда не меньше \(s\), а значит, \(a,b,c\ge2\).
Сначала докажем, что максимальное число больших кубов равно \[ N=f(a)f(b)f(c). \] Это число достигается при размещении кубов в прямоугольной решётке. Для доказательства верхней оценки расположим параллелепипед в \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\) и припишем кубу с нижней вершиной \((x,y,z)\) метку \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right). \] Поскольку \(0\le x\le a-s\), первая компонента метки имеет \(f(a)\) возможных значений; аналогично, остальные компоненты имеют \(f(b)\) и \(f(c)\) возможных значений. У двух кубов с одной и той же меткой координаты нижних вершин отличались бы менее чем на \(s\) по каждому направлению, поэтому их внутренние области пересекались бы. Следовательно, все метки различны, что доказывает верхнюю оценку.
Теперь условие на объём даёт \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] Обозначая \(R(n)=f(n)/n\), получаем \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
Возводя границы в куб, убеждаемся, что \[ \frac54<s<\frac97. \] Следовательно, \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] и для каждого положительного целого числа \(n\) \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
Утверждаем также, что \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{для каждого целого }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] Каждое такое целое число можно представить в виде \(n=3u+4v\), где \(u,v\) — неотрицательные целые числа: в зависимости от остатка при делении на \(3\) используем представление \(n=3u\), \(n=3u+4\) или \(n=3u+8\). Поэтому, используя неравенство \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\), получаем \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] Это доказывает (3). Вместе с \(R(5)=3/5\) отсюда следует \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
Если бы все три размера были не меньше \(3\), то из (4) следовало бы \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] что противоречит (1). Значит, один из размеров равен \(2\); переобозначим их так, чтобы \(a=2\).
Второй размер не может равняться \(2\), поскольку тогда из (2) следовало бы \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] Поэтому \(b,c\ge3\), и (1) принимает вид \[ R(b)R(c)=\frac25. \] Если бы ни \(b\), ни \(c\) не равнялись \(5\), то по (3) произведение было бы не меньше \(4/9>2/5\). Таким образом, поменяв их местами при необходимости, получаем \(b=5\) и \[ R(c)=\frac23. \]
Поскольку \(f(c)=2c/3\) — целое число, запишем \(c=3k\), где \(k\) — положительное целое число. Из равенства \(f(3k)=2k\) следует \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] а значит, \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] Последнее неравенство следует из \(s<9/7\). Поэтому \(k=1\) или \(2\), откуда \(c=3\) или \(6\).
Наконец, \(f(6)=4\). Оба найденных параллелепипеда можно заполнить единичными кубами, а максимальные доли их объёма, заполненные большими кубами, равны соответственно \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] Таким образом, оба варианта подходят, и классификация завершена.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1976 · المسألة 3
يمكن ملء صندوق على شكل متوازي مستطيلات بالكامل بمكعبات طول حرف كل منها وحدة واحدة. إذا وضعنا في الصندوق أكبر عدد ممكن من المكعبات التي حجم كل منها 2، بحيث تكون أحرفها موازية لأحرف الصندوق، أمكن ملء 40% من حجم الصندوق بالضبط. أوجد الأبعاد الممكنة لجميع هذه الصناديق.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الأبعاد، بصرف النظر عن ترتيبها، هي \[ \boxed{2\times3\times5\quad\text{و}\quad2\times5\times6.} \]
الحل
لتكن أطوال أحرف الصندوق \(a,b,c\). وهي أعداد صحيحة موجبة: فعلى طول كل حرف من أحرف الصندوق، يفرض المستويان المتعامدان المحدِّدان لحدوده على أي مكعب وحدي يلتقي ذلك الحرف في قطعة ذات طول موجب أن يسهم بحرف وحدي كامل، وأن يقع وجهاه المجاوران لهذا الحرف في هذين المستويين. والأجزاء الداخلية لهذه الأحرف الوحدية متباينة، وهي تقسّم حرف الصندوق.
نضع \[ s=\sqrt[3]{2},\qquad f(n)=\left\lfloor\frac ns\right\rfloor. \] طول حرف كل مكعب من المكعبات الأكبر هو \(s\). وبما أن الحجم المملوء المحدد موجب، فإن كل بُعد من أبعاد الصندوق لا يقل عن \(s\)، وبالتالي \(a,b,c\ge2\).
نثبت أولًا أن أكبر عدد من المكعبات الأكبر هو \[ N=f(a)f(b)f(c). \] يمكن تحقيق هذا العدد بترتيب المكعبات في شبكة مستطيلة. ولإثبات الحد الأعلى، نضع الصندوق عند \([0,a]\times[0,b]\times[0,c]\)، ونسند إلى كل مكعب ركنه السفلي \((x,y,z)\) الوسم \[ \left(\left\lfloor\frac xs\right\rfloor, \left\lfloor\frac ys\right\rfloor, \left\lfloor\frac zs\right\rfloor\right). \] بما أن \(0\le x\le a-s\)، فإن للمركبة الأولى من الوسم \(f(a)\) قيمًا ممكنة؛ وبالمثل، للمركبتين الأخريين \(f(b)\) و\(f(c)\) قيمًا ممكنة. ولو كان لمكعبين الوسم نفسه، لكان الفرق بين إحداثيي ركنيهما السفليين أقل من \(s\) في كل اتجاه، ومن ثم لتداخل داخلاهما. إذن جميع الأوسمة متمايزة، مما يثبت الحد الأعلى.
يعطينا شرط الحجم الآن \[ 2f(a)f(b)f(c)=\frac25abc. \] وبوضع \(R(n)=f(n)/n\)، نحصل على \[ R(a)R(b)R(c)=\frac15. \tag{1} \]
بتكعيب طرفي المتباينة التالية، يتبين أن \[ \frac54<s<\frac97. \] ومن ثم، \[ f(2)=1,\qquad f(3)=2,\qquad f(4)=3,\qquad f(5)=3, \] ولكل عدد صحيح موجب \(n\)، \[ R(n)\le\frac1s<\frac45. \tag{2} \]
وندّعي أيضًا أن \[ R(n)\ge\frac23 \quad\text{لكل عدد صحيح }n\ge3,\ n\ne5. \tag{3} \] يمكن كتابة كل عدد صحيح من هذا النوع على الصورة \(n=3u+4v\)، حيث \(u,v\) عددان صحيحان غير سالبين: فبحسب باقي قسمته على \(3\)، نستخدم \(n=3u\)، أو \(n=3u+4\)، أو \(n=3u+8\). ومن ثم، باستخدام المتباينة \(\lfloor x+y\rfloor\ge\lfloor x\rfloor+\lfloor y\rfloor\)، \[ f(n)\ge u f(3)+v f(4) =2u+3v \ge\frac23(3u+4v)=\frac{2n}{3}. \] وهذا يثبت (3). وبضم ذلك إلى \(R(5)=3/5\)، نستنتج \[ R(n)\ge\frac35\qquad(n\ge3). \tag{4} \]
لو كانت الأبعاد الثلاثة كلها لا تقل عن \(3\)، لأعطت (4) \[ R(a)R(b)R(c)\ge\left(\frac35\right)^3 =\frac{27}{125}>\frac15, \] وهذا يناقض (1). إذن أحد الأبعاد يساوي \(2\)؛ ولنعد تسمية الأبعاد بحيث \(a=2\).
لا يمكن أن يكون هناك بُعد ثانٍ يساوي \(2\)، إذ إن (2) ستعطي عندئذٍ \[ R(a)R(b)R(c)<\frac12\cdot\frac12\cdot\frac45=\frac15. \] لذلك \(b,c\ge3\)، وتصبح (1) \[ R(b)R(c)=\frac25. \] لو لم يكن أي من \(b\) و\(c\) مساويًا لـ\(5\)، لجعلت (3) حاصل ضربهما لا يقل عن \(4/9>2/5\). إذن، بعد التبديل بينهما عند الحاجة، يكون \(b=5\)، و \[ R(c)=\frac23. \]
بما أن \(f(c)=2c/3\) عدد صحيح، نكتب \(c=3k\)، حيث \(k\) عدد صحيح موجب. وتستلزم المساواة \(f(3k)=2k\) أن \[ \frac{3k}{s}<2k+1, \] ومن ثم \[ k<\frac{s}{3-2s}<3. \] تنتج المتباينة الأخيرة من \(s<9/7\). لذلك \(k=1\) أو \(2\)، مما يعطي \(c=3\) أو \(6\).
وأخيرًا، \(f(6)=4\). ويمكن تبليط الصندوقين المقترحين بمكعبات وحدية، وأكبر نسبتين ممكنتين للحجم المملوء فيهما هما، على الترتيب، \[ \frac{2(1\cdot2\cdot3)}{2\cdot3\cdot5} =\frac25, \qquad \frac{2(1\cdot3\cdot4)}{2\cdot5\cdot6} =\frac25. \] إذن كلاهما يحقق المطلوب، وبذلك يكتمل التصنيف.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).