IMO 1979 · Problem 6
Let \(A\) and \(E\) be opposite vertices of a regular octagon. A frog starts jumping at vertex \(A\). From any vertex of the octagon except \(E\), it may jump to either of the two adjacent vertices. When it reaches vertex \(E\), the frog stops and stays there.. Let \(a_n\) be the number of distinct paths of exactly \(n\) jumps ending at \(E\). Prove that \(a_{2n-1}=0\), \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] where \(x=2+\sqrt2\) and \(y=2-\sqrt2\).
Note. A path of \(n\) jumps is a sequence of vertices \((P_0,\ldots,P_n)\) such that
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) for every \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) is distinct from \(E\);
(iii) for every \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) and \(P_{i+1}\) are adjacent.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Label the vertices \(A,B,C,D,E,F,G,H\) in cyclic order. Every jump switches between the sets \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{and}\qquad\{B,D,F,H\}. \] Since \(A\) and \(E\) belong to the same set, a path from \(A\) to \(E\) has even length. Hence \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
For each integer \(m\ge0\), consider partial paths starting at \(A\), making exactly \(2m\) jumps, and never visiting \(E\). Let \(u_m\) count those ending at \(A\), and let \(v_m\) count those ending at either \(C\) or \(G\). These are all possible endpoints, by the parity observation. Initially, \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
We count extensions by two jumps that continue to avoid \(E\):
- From \(A\), there are two extensions ending at \(A\), namely \(ABA\) and \(AHA\), and two ending at \(C\) or \(G\), namely \(ABC\) and \(AHG\).
- From \(C\), there is one extension ending at \(A\), namely \(CBA\), and two ending at \(C\), namely \(CBC\) and \(CDC\). The remaining extension, \(CDE\), reaches \(E\).
- From \(G\), the corresponding extensions are \(GHA\), \(GHG\), \(GFG\), and \(GFE\).
Every extended path has a unique prefix of length \(2m\). Consequently, \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
Moreover, every partial path counted by \(v_m\) has exactly one two-jump extension reaching \(E\): through \(D\) from \(C\), or through \(F\) from \(G\). Conversely, every admissible path reaching \(E\) after exactly \(2m+2\) jumps has such a prefix. Thus \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
Eliminating \(u_m\) from (1), we obtain \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] The initial values are \(v_0=0\) and \(v_1=2\).
Now \(x=2+\sqrt2\) and \(y=2-\sqrt2\) both satisfy \[ t^2=4t-2. \] Therefore the sequence \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] satisfies \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\). Also, \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] Induction gives \(v_m=w_m\) for every \(m\ge0\). Substituting \(m=n-1\) into (2) yields \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] as required.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1979 · Aufgabe 6
Es seien \(A\) und \(E\) gegenüberliegende Eckpunkte eines regelmäßigen Achtecks. Ein Frosch beginnt am Eckpunkt \(A\) zu springen. Von jedem Eckpunkt des Achtecks außer \(E\) darf er zu einem der beiden benachbarten Eckpunkte springen. Sobald er den Eckpunkt \(E\) erreicht, hört der Frosch auf zu springen und bleibt dort. Es sei \(a_n\) die Anzahl der verschiedenen Wege aus genau \(n\) Sprüngen, die in \(E\) enden. Beweise, dass \(a_{2n-1}=0\) gilt und \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] wobei \(x=2+\sqrt2\) und \(y=2-\sqrt2\) ist.
Bemerkung. Ein Weg aus \(n\) Sprüngen ist eine Folge von Eckpunkten \((P_0,\ldots,P_n)\) mit folgenden Eigenschaften:
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) für jedes \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) ist von \(E\) verschieden;
(iii) für jedes \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) und \(P_{i+1}\) sind benachbart.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir bezeichnen die Eckpunkte in zyklischer Reihenfolge mit \(A,B,C,D,E,F,G,H\). Jeder Sprung wechselt zwischen den Mengen \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{und}\qquad\{B,D,F,H\}. \] Da \(A\) und \(E\) zur selben Menge gehören, hat ein Weg von \(A\) nach \(E\) gerade Länge. Daher gilt \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
Für jede ganze Zahl \(m\ge0\) betrachten wir Teilwege, die in \(A\) beginnen, aus genau \(2m\) Sprüngen bestehen und \(E\) nie besuchen. Es sei \(u_m\) die Anzahl derjenigen, die in \(A\) enden, und \(v_m\) die Anzahl derjenigen, die in \(C\) oder \(G\) enden. Nach der Paritätsbeobachtung sind dies alle möglichen Endpunkte. Zu Beginn gilt \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
Wir zählen die Fortsetzungen um zwei Sprünge, die weiterhin \(E\) vermeiden:
- Von \(A\) aus gibt es zwei Fortsetzungen, die in \(A\) enden, nämlich \(ABA\) und \(AHA\), und zwei, die in \(C\) oder \(G\) enden, nämlich \(ABC\) und \(AHG\).
- Von \(C\) aus gibt es eine Fortsetzung, die in \(A\) endet, nämlich \(CBA\), und zwei, die in \(C\) enden, nämlich \(CBC\) und \(CDC\). Die verbleibende Fortsetzung \(CDE\) erreicht \(E\).
- Von \(G\) aus sind die entsprechenden Fortsetzungen \(GHA\), \(GHG\), \(GFG\) und \(GFE\).
Jeder fortgesetzte Weg hat einen eindeutig bestimmten Anfangsabschnitt der Länge \(2m\). Folglich gilt \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
Außerdem hat jeder durch \(v_m\) gezählte Teilweg genau eine Fortsetzung um zwei Sprünge, die \(E\) erreicht: von \(C\) aus über \(D\) oder von \(G\) aus über \(F\). Umgekehrt hat jeder zulässige Weg, der \(E\) nach genau \(2m+2\) Sprüngen erreicht, einen solchen Anfangsabschnitt. Somit gilt \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
Eliminieren wir \(u_m\) aus (1), so erhalten wir \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] Die Anfangswerte sind \(v_0=0\) und \(v_1=2\).
Nun erfüllen \(x=2+\sqrt2\) und \(y=2-\sqrt2\) beide die Gleichung \[ t^2=4t-2. \] Daher erfüllt die Folge \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] die Beziehung \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\). Außerdem gilt \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] Durch Induktion folgt \(v_m=w_m\) für jedes \(m\ge0\). Setzen wir \(m=n-1\) in (2) ein, so ergibt sich \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] wie gefordert.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1979 · Soru 6
\(A\) ve \(E\), bir düzgün sekizgenin karşılıklı köşeleri olsun. Bir kurbağa \(A\) köşesinden sıçramaya başlıyor. Sekizgenin \(E\) dışındaki herhangi bir köşesinden, komşu iki köşeden birine sıçrayabiliyor. Kurbağa \(E\) köşesine ulaştığında duruyor ve orada kalıyor. Tam olarak \(n\) sıçramadan oluşan ve \(E\)'de biten farklı yolların sayısı \(a_n\) olsun. \(a_{2n-1}=0\) olduğunu ve \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] olduğunu kanıtlayınız; burada \(x=2+\sqrt2\) ve \(y=2-\sqrt2\)'dir.
Not. \(n\) sıçramadan oluşan bir yol, aşağıdaki koşulları sağlayan bir \((P_0,\ldots,P_n)\) köşe dizisidir:
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) her \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) için belirtilen nokta \(E\)'den farklıdır;
(iii) her \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) için belirtilen nokta ile \(P_{i+1}\) komşudur.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Köşeleri çevre boyunca sırasıyla \(A,B,C,D,E,F,G,H\) olarak adlandıralım. Her sıçrama \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{ve}\qquad\{B,D,F,H\} \] kümelerinin birinden diğerine geçiş yapar. \(A\) ve \(E\) aynı kümede olduğundan, \(A\)'dan \(E\)'ye giden bir yolun uzunluğu çifttir. Dolayısıyla \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
Her \(m\ge0\) tam sayısı için \(A\)'dan başlayan, tam olarak \(2m\) sıçramadan oluşan ve \(E\)'ye hiç uğramayan kısmi yolları ele alalım. Bunlardan \(A\)'da bitenlerin sayısı \(u_m\), \(C\) veya \(G\)'de bitenlerin sayısı ise \(v_m\) olsun. Teklik-çiftlik gözlemine göre olası bitiş noktalarının tamamı bunlardır. Başlangıçta, \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
\(E\)'ye uğramadan iki sıçrama daha yaparak elde edilen uzatmaları sayalım:
- \(A\)'dan başlayıp \(A\)'da biten iki uzatma vardır: \(ABA\) ve \(AHA\); \(C\) veya \(G\)'de biten iki uzatma vardır: \(ABC\) ve \(AHG\).
- \(C\)'den başlayıp \(A\)'da biten bir uzatma vardır: \(CBA\); \(C\)'de biten iki uzatma vardır: \(CBC\) ve \(CDC\). Geriye kalan \(CDE\) uzatması \(E\)'ye ulaşır.
- \(G\)'den başlayan karşılık gelen uzatmalar \(GHA\), \(GHG\), \(GFG\) ve \(GFE\)'dir.
Uzatılmış her yolun uzunluğu \(2m\) olan bir tek başlangıç kısmı vardır. Dolayısıyla, \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
Ayrıca, \(v_m\) ile sayılan her kısmi yolun \(E\)'ye ulaşan yalnızca bir iki sıçramalık uzatması vardır: \(C\)'den \(D\) üzerinden veya \(G\)'den \(F\) üzerinden. Tersine, tam olarak \(2m+2\) sıçrama sonunda \(E\)'ye ulaşan her geçerli yolun böyle bir başlangıç kısmı vardır. Böylece \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
(1)'den \(u_m\)'yi yok ederek \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m \end{aligned} \] elde ederiz. Başlangıç değerleri \(v_0=0\) ve \(v_1=2\)'dir.
Şimdi \(x=2+\sqrt2\) ve \(y=2-\sqrt2\) sayılarının her ikisi de \[ t^2=4t-2 \] eşitliğini sağlar. Bu nedenle \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] dizisi \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\) bağıntısını sağlar. Ayrıca, \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] Tümevarımla, her \(m\ge0\) için \(v_m=w_m\) elde edilir. (2)'de \(m=n-1\) koyarak \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] elde ederiz; bu da istenen sonuçtur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1979 · Problema 6
Sean \(A\) y \(E\) vértices opuestos de un octágono regular. Una rana empieza a saltar desde el vértice \(A\). Desde cualquier vértice del octágono distinto de \(E\), puede saltar a cualquiera de los dos vértices adyacentes. Cuando llega al vértice \(E\), la rana se detiene y permanece allí. Sea \(a_n\) el número de caminos distintos de exactamente \(n\) saltos que terminan en \(E\). Demostrar que \(a_{2n-1}=0\), \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] donde \(x=2+\sqrt2\) e \(y=2-\sqrt2\).
Nota. Un camino de \(n\) saltos es una sucesión de vértices \((P_0,\ldots,P_n)\) tal que
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) para todo \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) es distinto de \(E\);
(iii) para todo \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) y \(P_{i+1}\) son adyacentes.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Denotemos los vértices por \(A,B,C,D,E,F,G,H\) en orden cíclico. Cada salto pasa de uno de los conjuntos \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{y}\qquad\{B,D,F,H\} \] al otro. Como \(A\) y \(E\) pertenecen al mismo conjunto, un camino de \(A\) a \(E\) tiene longitud par. Por tanto, \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
Para cada entero \(m\ge0\), consideremos los caminos parciales que parten de \(A\), realizan exactamente \(2m\) saltos y nunca visitan \(E\). Sea \(u_m\) el número de los que terminan en \(A\), y sea \(v_m\) el número de los que terminan en \(C\) o en \(G\). Estos son todos los extremos posibles, por la observación sobre la paridad. Inicialmente, \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
Contemos las prolongaciones de dos saltos que siguen evitando \(E\):
- Desde \(A\), hay dos prolongaciones que terminan en \(A\), a saber, \(ABA\) y \(AHA\), y dos que terminan en \(C\) o en \(G\), a saber, \(ABC\) y \(AHG\).
- Desde \(C\), hay una prolongación que termina en \(A\), a saber, \(CBA\), y dos que terminan en \(C\), a saber, \(CBC\) y \(CDC\). La prolongación restante, \(CDE\), llega a \(E\).
- Desde \(G\), las prolongaciones correspondientes son \(GHA\), \(GHG\), \(GFG\) y \(GFE\).
Cada camino prolongado tiene un único tramo inicial de longitud \(2m\). Por consiguiente, \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
Además, cada camino parcial contado por \(v_m\) tiene exactamente una prolongación de dos saltos que llega a \(E\): pasando por \(D\) desde \(C\), o por \(F\) desde \(G\). Recíprocamente, todo camino admisible que llega a \(E\) tras exactamente \(2m+2\) saltos tiene un tramo inicial de este tipo. Así pues, \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
Eliminando \(u_m\) de (1), obtenemos \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] Los valores iniciales son \(v_0=0\) y \(v_1=2\).
Ahora bien, tanto \(x=2+\sqrt2\) como \(y=2-\sqrt2\) satisfacen \[ t^2=4t-2. \] Por tanto, la sucesión \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] satisface \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\). Además, \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] Por inducción, \(v_m=w_m\) para todo \(m\ge0\). Al sustituir \(m=n-1\) en (2), obtenemos \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] como se quería demostrar.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1979 · 问题 6
设 \(A\) 和 \(E\) 为一个正八边形的一对相对顶点。一只青蛙从顶点 \(A\) 开始跳跃。从八边形中除 \(E\) 以外的任意顶点,它可以跳到两个相邻顶点中的任意一个。当青蛙到达顶点 \(E\) 时,它便停止跳跃并留在那里。设 \(a_n\) 为恰好跳跃 \(n\) 次并以 \(E\) 为终点的不同路径数。证明 \(a_{2n-1}=0\), \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] 其中 \(x=2+\sqrt2\),\(y=2-\sqrt2\)。
注:一条跳跃 \(n\) 次的路径是一个顶点序列 \((P_0,\ldots,P_n)\),满足
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) 对每个 \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) 均不同于 \(E\);
(iii) 对每个 \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) 与 \(P_{i+1}\) 相邻。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
按循环顺序将顶点标记为 \(A,B,C,D,E,F,G,H\)。每次跳跃都在集合 \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{和}\qquad\{B,D,F,H\}. \] 之间切换。由于 \(A\) 和 \(E\) 属于同一个集合,从 \(A\) 到 \(E\) 的路径长度为偶数。因此 \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
对于每个整数 \(m\ge0\),考虑从 \(A\) 出发、恰好跳跃 \(2m\) 次且从未到达 \(E\) 的部分路径。设 \(u_m\) 为其中以 \(A\) 为终点的路径数,\(v_m\) 为其中以 \(C\) 或 \(G\) 为终点的路径数。由上述奇偶性观察,这些就是所有可能的终点。初始时, \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
我们计算再跳跃两次且仍不到达 \(E\) 的延伸方式:
- 从 \(A\) 出发,有两种以 \(A\) 为终点的延伸方式,即 \(ABA\) 和 \(AHA\),以及两种以 \(C\) 或 \(G\) 为终点的延伸方式,即 \(ABC\) 和 \(AHG\)。
- 从 \(C\) 出发,有一种以 \(A\) 为终点的延伸方式,即 \(CBA\),以及两种以 \(C\) 为终点的延伸方式,即 \(CBC\) 和 \(CDC\)。余下的延伸方式 \(CDE\) 会到达 \(E\)。
- 从 \(G\) 出发,对应的延伸方式为 \(GHA\)、\(GHG\)、\(GFG\) 和 \(GFE\)。
每条延伸后的路径都有唯一的长度为 \(2m\) 的初始部分。因此, \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
此外,\(v_m\) 所计数的每条部分路径都恰有一种再跳跃两次到达 \(E\) 的延伸方式:从 \(C\) 出发经过 \(D\),或从 \(G\) 出发经过 \(F\)。反过来,每条恰好跳跃 \(2m+2\) 次到达 \(E\) 的合乎要求的路径,都有这样的初始部分。因此 \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
从 (1) 中消去 \(u_m\),得到 \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] 初始值为 \(v_0=0\) 和 \(v_1=2\)。
现在,\(x=2+\sqrt2\) 和 \(y=2-\sqrt2\) 均满足 \[ t^2=4t-2. \] 因此,数列 \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] 满足 \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\)。此外, \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] 由归纳法可得,对每个 \(m\ge0\),都有 \(v_m=w_m\)。将 \(m=n-1\) 代入 (2),得到 \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] 即为所证。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1979 · Задача 6
Пусть \(A\) и \(E\) — противоположные вершины правильного восьмиугольника. Лягушка начинает прыгать из вершины \(A\). Из любой вершины восьмиугольника, кроме \(E\), она может прыгнуть в любую из двух соседних вершин. Достигнув вершины \(E\), лягушка останавливается и остаётся там. Пусть \(a_n\) — число различных путей, состоящих ровно из \(n\) прыжков и заканчивающихся в \(E\). Докажите, что \(a_{2n-1}=0\), \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] где \(x=2+\sqrt2\) и \(y=2-\sqrt2\).
Примечание. Путь из \(n\) прыжков — это последовательность вершин \((P_0,\ldots,P_n)\), для которой
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\);
(ii) для каждого \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) отлична от \(E\);
(iii) для каждого \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) и \(P_{i+1}\) — соседние вершины.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим вершины через \(A,B,C,D,E,F,G,H\) в порядке обхода. Каждый прыжок переводит лягушку из одного из множеств \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{и}\qquad\{B,D,F,H\} \] в другое. Поскольку \(A\) и \(E\) принадлежат одному множеству, путь из \(A\) в \(E\) имеет чётную длину. Следовательно, \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
Для каждого целого \(m\ge0\) рассмотрим незавершённые пути, начинающиеся в \(A\), состоящие ровно из \(2m\) прыжков и ни разу не проходящие через \(E\). Обозначим через \(u_m\) число таких путей, заканчивающихся в \(A\), а через \(v_m\) — число таких путей, заканчивающихся в \(C\) или \(G\). В силу замечания о чётности это все возможные конечные вершины. Изначально \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
Подсчитаем продолжения на два прыжка, по-прежнему не проходящие через \(E\):
- Из \(A\) есть два продолжения, заканчивающихся в \(A\), а именно \(ABA\) и \(AHA\), и два, заканчивающихся в \(C\) или \(G\), а именно \(ABC\) и \(AHG\).
- Из \(C\) есть одно продолжение, заканчивающееся в \(A\), а именно \(CBA\), и два, заканчивающихся в \(C\), а именно \(CBC\) и \(CDC\). Оставшееся продолжение, \(CDE\), достигает \(E\).
- Из \(G\) соответствующие продолжения — \(GHA\), \(GHG\), \(GFG\) и \(GFE\).
У каждого продолженного пути есть единственная начальная часть длины \(2m\). Следовательно, \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
Кроме того, каждый незавершённый путь, учитываемый в \(v_m\), имеет ровно одно продолжение на два прыжка, достигающее \(E\): через \(D\) из \(C\) или через \(F\) из \(G\). Обратно, каждый допустимый путь, достигающий \(E\) ровно после \(2m+2\) прыжков, имеет такую начальную часть. Таким образом, \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
Исключая \(u_m\) из (1), получаем \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] Начальные значения равны \(v_0=0\) и \(v_1=2\).
Оба числа \(x=2+\sqrt2\) и \(y=2-\sqrt2\) удовлетворяют уравнению \[ t^2=4t-2. \] Поэтому последовательность \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] удовлетворяет соотношению \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\). Кроме того, \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] По индукции получаем \(v_m=w_m\) для каждого \(m\ge0\). Подставляя \(m=n-1\) в (2), получаем \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] что и требовалось доказать.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1979 · المسألة 6
ليكن \(A\) و\(E\) رأسين متقابلين في مثمن منتظم. يبدأ ضفدع القفز من الرأس \(A\). ويمكنه من أي رأس من رؤوس المثمن، عدا \(E\)، أن يقفز إلى أي من الرأسين المجاورين. وعندما يصل إلى الرأس \(E\)، يتوقف الضفدع ويبقى هناك. ليكن \(a_n\) عدد المسارات المختلفة التي تتكون من \(n\) قفزات بالضبط وتنتهي عند \(E\). أثبت أن \(a_{2n-1}=0\)، وأن \[ a_{2n}=\frac{1}{\sqrt2}(x^{n-1}-y^{n-1}),\ n=1,2,3,\cdots, \] حيث \(x=2+\sqrt2\) و\(y=2-\sqrt2\).
ملاحظة. المسار المؤلف من \(n\) قفزات هو متتالية من الرؤوس \((P_0,\ldots,P_n)\) بحيث
(i) \(P_0=A,\ P_n=E\)؛
(ii) لكل \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) يختلف عن \(E\)؛
(iii) لكل \(i,\ 0\le i\le n-1,\ P_i\) و\(P_{i+1}\) متجاوران.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نسمّي الرؤوس \(A,B,C,D,E,F,G,H\) بترتيبها الدوري. تنقل كل قفزة الضفدع من إحدى المجموعتين إلى الأخرى: \[ \{A,C,E,G\}\qquad\text{و}\qquad\{B,D,F,H\}. \] بما أن \(A\) و\(E\) ينتميان إلى المجموعة نفسها، فإن طول أي مسار من \(A\) إلى \(E\) زوجي. ومن ثم \[ a_{2n-1}=0\qquad(n\ge1). \]
لكل عدد صحيح \(m\ge0\)، ننظر في المسارات الجزئية التي تبدأ عند \(A\)، وتتكون من \(2m\) قفزة بالضبط، ولا تمرّ بـ\(E\) أبدًا. ليكن \(u_m\) عدد تلك التي تنتهي عند \(A\)، وليكن \(v_m\) عدد تلك التي تنتهي عند \(C\) أو \(G\). وهذه هي جميع النهايات الممكنة، بحسب الملاحظة المتعلقة بزوجية الطول. في البداية، \[ u_0=1,\qquad v_0=0. \]
نعدّ طرق تمديد المسارات بقفزتين مع الاستمرار في تجنب \(E\):
- من \(A\)، يوجد تمديدان ينتهيان عند \(A\)، هما \(ABA\) و\(AHA\)، وتمديدان ينتهيان عند \(C\) أو \(G\)، هما \(ABC\) و\(AHG\).
- من \(C\)، يوجد تمديد واحد ينتهي عند \(A\)، هو \(CBA\)، وتمديدان ينتهيان عند \(C\)، هما \(CBC\) و\(CDC\). أما التمديد المتبقي، \(CDE\)، فيصل إلى \(E\).
- من \(G\)، التمديدات المناظرة هي \(GHA\)، و\(GHG\)، و\(GFG\)، و\(GFE\).
لكل مسار ممدّد جزء ابتدائي وحيد طوله \(2m\). وبالتالي، \[ u_{m+1}=2u_m+v_m,\qquad v_{m+1}=2u_m+2v_m. \tag{1} \]
علاوة على ذلك، لكل مسار جزئي محسوب في \(v_m\) تمديد واحد بالضبط بقفزتين يصل إلى \(E\): عبر \(D\) انطلاقًا من \(C\)، أو عبر \(F\) انطلاقًا من \(G\). وعكسًا، لكل مسار مستوفٍ للشروط يصل إلى \(E\) بعد \(2m+2\) قفزة بالضبط جزء ابتدائي من هذا النوع. إذن \[ a_{2m+2}=v_m\qquad(m\ge0). \tag{2} \]
بحذف \(u_m\) من (1)، نحصل على \[ \begin{aligned} v_{m+2} &=2u_{m+1}+2v_{m+1}\\ &=4u_m+2v_m+2v_{m+1}\\ &=4v_{m+1}-2v_m. \end{aligned} \] القيمتان الابتدائيتان هما \(v_0=0\) و\(v_1=2\).
والآن، يحقق كل من \(x=2+\sqrt2\) و\(y=2-\sqrt2\) المعادلة \[ t^2=4t-2. \] لذلك فإن المتتالية \[ w_m=\frac{x^m-y^m}{\sqrt2} \] تحقق \(w_{m+2}=4w_{m+1}-2w_m\). كذلك، \[ w_0=0,\qquad w_1=\frac{x-y}{\sqrt2}=2. \] بالاستقراء نحصل على \(v_m=w_m\) لكل \(m\ge0\). وبالتعويض بـ\(m=n-1\) في (2)، نجد \[ \boxed{a_{2n}=\frac{x^{n-1}-y^{n-1}}{\sqrt2}\qquad(n\ge1),} \] وهذا هو المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).