IMO 1979 · Problem 2
A prism with pentagons \(A_1A_2A_3A_4A_5\) and \(B_1B_2B_3B_4B_5\) as top and bottom faces is given. Each side of the two pentagons and each of the line-segments \(A_iB_j\) for all \(i,j=1,\ldots,5\), is colored either red or green. Every triangle whose vertices are vertices of the prism and whose sides have all been colored has two sides of a different color. Show that all 10 sides of the top and bottom faces are the same color.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
The hypothesis says that no triangle whose sides have all been colored is monochromatic. All subscripts below are read modulo \(5\).
We first observe that any three vertices of a pentagon contain two consecutive vertices. Indeed, otherwise the successor of each selected vertex would be a distinct unselected vertex, requiring at least six vertices.
Fix a vertex \(A_i\). Among the five segments \(A_iB_j\), at least three have the same color, say \(c\). By the observation, two of their endpoints are consecutive vertices \(B_j,B_{j+1}\). The side \(B_jB_{j+1}\) must therefore have the other color, say \(d\).
Let \(A_k\) be either neighbor of \(A_i\) on the top pentagon. If \(A_iA_k\) had color \(c\), the triangles \[ A_iA_kB_j \qquad\text{and}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] would force both \(A_kB_j\) and \(A_kB_{j+1}\) to have color \(d\). But then \(A_kB_jB_{j+1}\) would be a monochromatic triangle of color \(d\), a contradiction. Thus both sides of the top pentagon incident with \(A_i\) have color \(d\).
Since \(A_i\) was arbitrary, the two sides meeting at every top vertex have the same color. Consequently, all five sides of the top pentagon have one color. Interchanging the color names if necessary, suppose this color is red.
For each bottom vertex \(B_j\), at most two of the segments \(B_jA_i\) can be red: three red segments would have two consecutive top endpoints, forming a red triangle with the red side between them. Hence every bottom vertex is joined by green segments to at least three top vertices.
Now consider any bottom side \(B_jB_{j+1}\). Each endpoint has at least three green neighbors among the five top vertices, so the two sets of green neighbors intersect, since \[ 3+3>5. \] Choose a common green neighbor \(A_i\). The triangle \(A_iB_jB_{j+1}\) then forces \(B_jB_{j+1}\) to be red.
Thus all five bottom sides are red as well, proving that all ten sides have the same color.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1979 · Aufgabe 2
Gegeben ist ein Prisma mit den Fünfecken \(A_1A_2A_3A_4A_5\) und \(B_1B_2B_3B_4B_5\) als Deck- und Grundfläche. Jede Seite der beiden Fünfecke und jede der Strecken \(A_iB_j\) für alle \(i,j=1,\ldots,5\) ist entweder rot oder grün gefärbt. Jedes Dreieck, dessen Eckpunkte Eckpunkte des Prismas sind und dessen Seiten alle gefärbt sind, hat zwei verschiedenfarbige Seiten. Zeige, dass alle 10 Seiten der Deck- und Grundfläche dieselbe Farbe haben.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Die Voraussetzung besagt, dass kein Dreieck, dessen Seiten alle gefärbt sind, einfarbig ist. Alle Indizes werden im Folgenden modulo \(5\) gelesen.
Zunächst stellen wir fest, dass unter je drei Eckpunkten eines Fünfecks zwei benachbarte Eckpunkte sind. Andernfalls wäre nämlich der Nachfolger jedes ausgewählten Eckpunkts ein jeweils verschiedener, nicht ausgewählter Eckpunkt, wofür mindestens sechs Eckpunkte erforderlich wären.
Wir wählen einen Eckpunkt \(A_i\) fest. Unter den fünf Strecken \(A_iB_j\) haben mindestens drei dieselbe Farbe, etwa \(c\). Nach der obigen Beobachtung sind zwei ihrer Endpunkte benachbarte Eckpunkte \(B_j,B_{j+1}\). Die Seite \(B_jB_{j+1}\) muss daher die andere Farbe haben, etwa \(d\).
Es sei \(A_k\) einer der beiden Nachbarn von \(A_i\) im oberen Fünfeck. Hätte \(A_iA_k\) die Farbe \(c\), so würden die Dreiecke \[ A_iA_kB_j \qquad\text{und}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] erzwingen, dass sowohl \(A_kB_j\) als auch \(A_kB_{j+1}\) die Farbe \(d\) haben. Dann wäre aber \(A_kB_jB_{j+1}\) ein einfarbiges Dreieck der Farbe \(d\), ein Widerspruch. Somit haben beide an \(A_i\) anliegenden Seiten des oberen Fünfecks die Farbe \(d\).
Da \(A_i\) beliebig gewählt war, haben die beiden Seiten, die an jedem oberen Eckpunkt zusammentreffen, dieselbe Farbe. Folglich haben alle fünf Seiten des oberen Fünfecks dieselbe Farbe. Durch gegebenenfalls Vertauschen der Farbnamen können wir annehmen, dass diese Farbe Rot ist.
Für jeden unteren Eckpunkt \(B_j\) können höchstens zwei der Strecken \(B_jA_i\) rot sein: Unter den oberen Endpunkten dreier roter Strecken wären zwei benachbarte, die zusammen mit der roten Seite zwischen ihnen ein rotes Dreieck bilden würden. Daher ist jeder untere Eckpunkt durch grüne Strecken mit mindestens drei oberen Eckpunkten verbunden.
Betrachten wir nun eine beliebige untere Seite \(B_jB_{j+1}\). Jeder ihrer Endpunkte hat mindestens drei grüne Nachbarn unter den fünf oberen Eckpunkten, also haben die beiden Mengen grüner Nachbarn einen gemeinsamen Punkt, denn \[ 3+3>5. \] Wir wählen einen gemeinsamen grünen Nachbarn \(A_i\). Das Dreieck \(A_iB_jB_{j+1}\) erzwingt dann, dass \(B_jB_{j+1}\) rot ist.
Somit sind auch alle fünf unteren Seiten rot, womit bewiesen ist, dass alle zehn Seiten dieselbe Farbe haben.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1979 · Soru 2
Üst ve alt yüzleri sırasıyla \(A_1A_2A_3A_4A_5\) ve \(B_1B_2B_3B_4B_5\) beşgenleri olan bir prizma verilmiştir. İki beşgenin her bir kenarı ve tüm \(i,j=1,\ldots,5\) için \(A_iB_j\) doğru parçalarının her biri kırmızı veya yeşile boyanmıştır. Köşeleri prizmanın köşelerinden oluşan ve bütün kenarları boyanmış olan her üçgenin farklı renkte iki kenarı vardır. Üst ve alt yüzlerin 10 kenarının tamamının aynı renkte olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Varsayım, bütün kenarları boyanmış hiçbir üçgenin tek renkli olmadığını söyler. Aşağıdaki tüm alt indisler \(5\) modülüne göre ele alınacaktır.
Önce, bir beşgenin herhangi üç köşesi arasında ardışık iki köşe bulunduğunu gözlemleyelim. Gerçekten, aksi hâlde seçilen her köşenin bir sonraki köşesi, seçilmemiş ve birbirinden farklı birer köşe olurdu; bu da en az altı köşe gerektirirdi.
Bir \(A_i\) köşesini sabitleyelim. Beş \(A_iB_j\) doğru parçasından en az üçü aynı renktedir; bu renge \(c\) diyelim. Gözlemimize göre bunların uçlarından ikisi ardışık \(B_j,B_{j+1}\) köşeleridir. Bu nedenle \(B_jB_{j+1}\) kenarı diğer renkte olmalıdır; bu renge de \(d\) diyelim.
\(A_k\), üst beşgende \(A_i\)'nin komşularından herhangi biri olsun. Eğer \(A_iA_k\)'nin rengi \(c\) olsaydı, \[ A_iA_kB_j \qquad\text{ve}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] üçgenleri hem \(A_kB_j\)'nin hem de \(A_kB_{j+1}\)'in renginin \(d\) olmasını zorunlu kılardı. Ancak bu durumda \(A_kB_jB_{j+1}\), \(d\) renginde tek renkli bir üçgen olurdu; bu bir çelişkidir. Dolayısıyla üst beşgenin \(A_i\)'de birleşen iki kenarı da \(d\) rengindedir.
\(A_i\) keyfî seçildiğinden, üstteki her köşede birleşen iki kenar aynı renktedir. Sonuç olarak üst beşgenin beş kenarı da aynı renktedir. Gerekirse renklerin adlarını değiştirerek bu rengin kırmızı olduğunu varsayalım.
Alttaki her \(B_j\) köşesi için \(B_jA_i\) doğru parçalarının en fazla ikisi kırmızı olabilir: üç kırmızı doğru parçasının üstteki uçlarından ikisi ardışık olur ve aralarındaki kırmızı kenarla birlikte kırmızı bir üçgen oluştururdu. O hâlde alttaki her köşe, üstteki en az üç köşeye yeşil doğru parçalarıyla bağlıdır.
Şimdi alt beşgenin herhangi bir \(B_jB_{j+1}\) kenarını ele alalım. Her bir ucun üstteki beş köşe arasında en az üç yeşil komşusu olduğundan, bu iki yeşil komşu kümesi kesişir; çünkü \[ 3+3>5. \] Ortak bir yeşil komşu \(A_i\) seçelim. Bu durumda \(A_iB_jB_{j+1}\) üçgeni, \(B_jB_{j+1}\)'in kırmızı olmasını zorunlu kılar.
Böylece alttaki beş kenar da kırmızıdır; bu da on kenarın tamamının aynı renkte olduğunu kanıtlar.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1979 · Problema 2
Se da un prisma cuyas caras superior e inferior son los pentágonos \(A_1A_2A_3A_4A_5\) y \(B_1B_2B_3B_4B_5\). Cada lado de los dos pentágonos y cada uno de los segmentos \(A_iB_j\), para todos los \(i,j=1,\ldots,5\), se colorea de rojo o de verde. Todo triángulo cuyos vértices son vértices del prisma y cuyos lados están todos coloreados tiene dos lados de distinto color. Demostrar que los 10 lados de las caras superior e inferior son del mismo color.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
La hipótesis afirma que ningún triángulo cuyos lados estén todos coloreados es monocromático. En lo que sigue, todos los subíndices se interpretan módulo \(5\).
Observemos primero que entre cualesquiera tres vértices de un pentágono hay dos consecutivos. En efecto, de lo contrario, el sucesor de cada vértice elegido sería un vértice no elegido distinto de los demás, lo que requeriría al menos seis vértices.
Fijemos un vértice \(A_i\). Entre los cinco segmentos \(A_iB_j\), al menos tres tienen el mismo color, que denotaremos por \(c\). Por la observación anterior, dos de sus extremos son vértices consecutivos \(B_j,B_{j+1}\). Por tanto, el lado \(B_jB_{j+1}\) debe tener el otro color, que denotaremos por \(d\).
Sea \(A_k\) cualquiera de los dos vértices adyacentes a \(A_i\) en el pentágono superior. Si \(A_iA_k\) tuviera color \(c\), los triángulos \[ A_iA_kB_j \qquad\text{y}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] obligarían a que tanto \(A_kB_j\) como \(A_kB_{j+1}\) tuvieran color \(d\). Pero entonces \(A_kB_jB_{j+1}\) sería un triángulo monocromático de color \(d\), lo que es una contradicción. Así pues, los dos lados del pentágono superior que inciden en \(A_i\) tienen color \(d\).
Como \(A_i\) era arbitrario, los dos lados que concurren en cada vértice superior tienen el mismo color. Por consiguiente, los cinco lados del pentágono superior tienen un mismo color. Intercambiando los nombres de los colores si es necesario, supongamos que este color es el rojo.
Para cada vértice inferior \(B_j\), a lo sumo dos de los segmentos \(B_jA_i\) pueden ser rojos: tres segmentos rojos tendrían dos extremos superiores consecutivos y formarían un triángulo rojo con el lado rojo que los une. Por tanto, cada vértice inferior está unido mediante segmentos verdes a al menos tres vértices superiores.
Consideremos ahora cualquier lado inferior \(B_jB_{j+1}\). Cada extremo tiene al menos tres vecinos unidos a él por segmentos verdes entre los cinco vértices superiores, por lo que los dos conjuntos de estos vecinos tienen intersección no vacía, ya que \[ 3+3>5. \] Elijamos un vecino común \(A_i\) unido a ambos por segmentos verdes. El triángulo \(A_iB_jB_{j+1}\) obliga entonces a que \(B_jB_{j+1}\) sea rojo.
Así pues, los cinco lados inferiores también son rojos, lo que demuestra que los diez lados tienen el mismo color.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1979 · 问题 2
给定一个棱柱,其上、下底面分别为五边形 \(A_1A_2A_3A_4A_5\) 和 \(B_1B_2B_3B_4B_5\)。将这两个五边形的每条边以及所有 \(i,j=1,\ldots,5\) 对应的线段 \(A_iB_j\) 分别染成红色或绿色。每个以棱柱的顶点为顶点且三条边均已染色的三角形,都有两条颜色不同的边。证明上、下底面的全部 10 条边颜色相同。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
题设说明,不存在三条边均已染色的单色三角形。以下所有下标均按模 \(5\) 理解。
我们首先注意到,五边形的任意三个顶点中必有两个相邻的顶点。事实上,否则每个选定顶点的后继顶点都是未选定的顶点,且这三个后继顶点互不相同,这就要求至少有六个顶点。
固定一个顶点 \(A_i\)。五条线段 \(A_iB_j\) 中至少有三条颜色相同,记此颜色为 \(c\)。由上述观察,它们的端点中有两个相邻顶点 \(B_j,B_{j+1}\)。因此,边 \(B_jB_{j+1}\) 必须为另一种颜色,记为 \(d\)。
设 \(A_k\) 为上底面五边形中与 \(A_i\) 相邻的任意一个顶点。如果 \(A_iA_k\) 的颜色为 \(c\),则三角形 \[ A_iA_kB_j \qquad\text{和}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] 将迫使 \(A_kB_j\) 和 \(A_kB_{j+1}\) 的颜色均为 \(d\)。但这样一来,\(A_kB_jB_{j+1}\) 就是颜色为 \(d\) 的单色三角形,矛盾。因此,上底面五边形中以 \(A_i\) 为端点的两条边的颜色均为 \(d\)。
由于 \(A_i\) 是任意选取的,在上底面的每个顶点处相交的两条边颜色相同。因此,上底面五边形的五条边颜色相同。必要时交换两种颜色的名称,不妨设此颜色为红色。
对于下底面的每个顶点 \(B_j\),线段 \(B_jA_i\) 中至多有两条为红色:若有三条红色线段,则它们在上底面的端点中必有两个相邻顶点,与这两个顶点之间的红边构成一个红色三角形。因此,下底面的每个顶点都通过绿色线段与至少三个上底面顶点相连。
现在考虑下底面的任意一条边 \(B_jB_{j+1}\)。它的每个端点在五个上底面顶点中都有至少三个通过绿色线段相连的顶点,因此这两个绿色邻点集合有交集,因为 \[ 3+3>5. \] 选取一个共同的绿色邻点 \(A_i\)。此时,三角形 \(A_iB_jB_{j+1}\) 迫使 \(B_jB_{j+1}\) 为红色。
因此,下底面的五条边也都是红色,从而证明了全部十条边颜色相同。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1979 · Задача 2
Дана призма, верхняя и нижняя грани которой — пятиугольники \(A_1A_2A_3A_4A_5\) и \(B_1B_2B_3B_4B_5\). Каждая сторона обоих пятиугольников и каждый из отрезков \(A_iB_j\) для всех \(i,j=1,\ldots,5\) окрашены в красный или зелёный цвет. В каждом треугольнике, вершины которого являются вершинами призмы и все стороны которого окрашены, есть две стороны разного цвета. Докажите, что все 10 сторон верхней и нижней граней имеют один и тот же цвет.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
По условию ни один треугольник, все стороны которого окрашены, не является одноцветным. Все индексы далее рассматриваются по модулю \(5\).
Сначала заметим, что среди любых трёх вершин пятиугольника есть две соседние. Действительно, иначе за каждой выбранной вершиной следовала бы своя невыбранная вершина, что потребовало бы не менее шести вершин.
Зафиксируем вершину \(A_i\). Среди пяти отрезков \(A_iB_j\) по крайней мере три имеют один и тот же цвет, обозначим его \(c\). Согласно сделанному замечанию, два из их концов — соседние вершины \(B_j,B_{j+1}\). Поэтому сторона \(B_jB_{j+1}\) должна иметь другой цвет, обозначим его \(d\).
Пусть \(A_k\) — любая из двух соседних с \(A_i\) вершин верхнего пятиугольника. Если бы сторона \(A_iA_k\) имела цвет \(c\), то из рассмотрения треугольников \[ A_iA_kB_j \qquad\text{и}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] следовало бы, что оба отрезка \(A_kB_j\) и \(A_kB_{j+1}\) имеют цвет \(d\). Но тогда \(A_kB_jB_{j+1}\) был бы одноцветным треугольником цвета \(d\), что противоречит условию. Таким образом, обе стороны верхнего пятиугольника, выходящие из вершины \(A_i\), имеют цвет \(d\).
Поскольку вершина \(A_i\) была произвольной, две стороны, сходящиеся в каждой вершине верхнего пятиугольника, имеют один и тот же цвет. Следовательно, все пять сторон верхнего пятиугольника имеют один цвет. При необходимости поменяв названия цветов местами, будем считать этот цвет красным.
Для каждой нижней вершины \(B_j\) не более двух отрезков \(B_jA_i\) могут быть красными: среди концов трёх красных отрезков на верхней грани нашлись бы две соседние вершины, которые вместе с красной стороной между ними образовали бы красный треугольник. Значит, каждая нижняя вершина соединена зелёными отрезками по крайней мере с тремя верхними вершинами.
Теперь рассмотрим любую сторону \(B_jB_{j+1}\) нижнего пятиугольника. Каждый её конец соединён зелёными отрезками по крайней мере с тремя из пяти верхних вершин, поэтому два множества таких верхних вершин пересекаются, так как \[ 3+3>5. \] Выберем общую вершину \(A_i\), соединённую зелёными отрезками с обоими концами. Тогда из рассмотрения треугольника \(A_iB_jB_{j+1}\) следует, что сторона \(B_jB_{j+1}\) красная.
Таким образом, все пять сторон нижнего пятиугольника также красные, что доказывает одноцветность всех десяти сторон.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1979 · المسألة 2
لدينا منشور وجهه العلوي هو المخمس \(A_1A_2A_3A_4A_5\) ووجهه السفلي هو المخمس \(B_1B_2B_3B_4B_5\). لُوّن كل ضلع من أضلاع المخمسين وكل قطعة مستقيمة \(A_iB_j\)، لجميع \(i,j=1,\ldots,5\)، إما بالأحمر وإما بالأخضر. كل مثلث رؤوسه من رؤوس المنشور ولُوّنت أضلاعه جميعًا له ضلعان مختلفا اللون. أثبت أن الأضلاع العشرة للوجهين العلوي والسفلي لها اللون نفسه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ينص الفرض على أنه لا يوجد مثلث أحادي اللون لُوّنت أضلاعه جميعًا. تُفهم جميع الفهارس فيما يأتي بترديد \(5\).
نلاحظ أولًا أن أي ثلاثة رؤوس من مخمس تتضمن رأسين متتاليين. بالفعل، لو لم يكن الأمر كذلك، لكان الرأس التالي لكل رأس مختار رأسًا غير مختار، ولكانت هذه الرؤوس غير المختارة متمايزة، مما يتطلب وجود ستة رؤوس على الأقل.
نثبت رأسًا \(A_i\). من بين القطع الخمس \(A_iB_j\)، توجد ثلاث قطع على الأقل لها اللون نفسه، وليكن \(c\). وبحسب الملاحظة، فإن اثنين من أطرافها هما رأسان متتاليان \(B_j,B_{j+1}\). لذا يجب أن يكون الضلع \(B_jB_{j+1}\) باللون الآخر، وليكن \(d\).
ليكن \(A_k\) أحد الرأسين المجاورين لـ\(A_i\) على المخمس العلوي. لو كان لون \(A_iA_k\) هو \(c\)، لفرض المثلثان \[ A_iA_kB_j \qquad\text{و}\qquad A_iA_kB_{j+1} \] أن يكون لون كل من \(A_kB_j\) و\(A_kB_{j+1}\) هو \(d\). لكن عندئذ يكون \(A_kB_jB_{j+1}\) مثلثًا أحادي اللون لونه \(d\)، وهذا تناقض. إذن كلا ضلعي المخمس العلوي اللذين يلتقيان عند \(A_i\) له اللون \(d\).
وبما أن \(A_i\) كان اختياريًا، فإن الضلعين اللذين يلتقيان عند كل رأس علوي لهما اللون نفسه. وبالتالي، فإن أضلاع المخمس العلوي الخمسة لها لون واحد. وبمبادلة اسمي اللونين عند الحاجة، نفترض أن هذا اللون هو الأحمر.
لكل رأس سفلي \(B_j\)، لا يمكن أن يزيد عدد القطع الحمراء \(B_jA_i\) على اثنتين: فلو وجدت ثلاث قطع حمراء، لكان لها طرفان علويان متتاليان، فيتشكل مثلث أحمر مع الضلع الأحمر الواصل بينهما. ومن ثم فإن كل رأس سفلي يتصل بقطع خضراء بثلاثة رؤوس علوية على الأقل.
لننظر الآن في أي ضلع سفلي \(B_jB_{j+1}\). لكل طرف منه ثلاثة جيران خضر على الأقل من بين الرؤوس العلوية الخمسة، ولذلك تتقاطع مجموعتا الجيران الخضر، إذ إن \[ 3+3>5. \] نختار جارًا أخضر مشتركًا \(A_i\). عندئذ يفرض المثلث \(A_iB_jB_{j+1}\) أن يكون \(B_jB_{j+1}\) أحمر.
إذن الأضلاع السفلية الخمسة حمراء أيضًا، وهذا يثبت أن الأضلاع العشرة كلها لها اللون نفسه.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).