IMO 1981 · Problem 2
Let \(1 \le r \le n\) and consider all subsets of \(r\) elements of the set \(\{1,2,\ldots,n\}\). Each of these subsets has a smallest member. Let \(F(n,r)\) denote the arithmetic mean of these smallest numbers; prove that \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(\mathcal S\) be the collection of all \(r\)-element subsets of \(\{1,\ldots,n\}\), and write \(m(S)=\min S\). We count the pairs \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ an integer with }0\le t<m(S). \]
For each fixed \(S\), there are exactly \(m(S)\) choices of \(t\). Hence the number of pairs is \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
On the other hand, the map \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] is a bijection onto the collection of all \((r+1)\)-element subsets of \(\{0,1,\ldots,n\}\). Indeed, \(t\) is the smallest element of the resulting subset. Conversely, from any such subset \(T\), take \(t=\min T\) and \(S=T\setminus\{t\}\). Every element of \(S\) is positive and greater than \(t\), so this gives a valid pair and is the inverse map.
Therefore \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] There are \(\binom nr\) subsets in \(\mathcal S\), so their smallest members have arithmetic mean \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] The argument holds for every \(1\le r\le n\), including both endpoints.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1981 · Aufgabe 2
Es sei \(1 \le r \le n\), und wir betrachten alle Teilmengen mit \(r\) Elementen der Menge \(\{1,2,\ldots,n\}\). Jede dieser Teilmengen hat ein kleinstes Element. Mit \(F(n,r)\) bezeichnen wir das arithmetische Mittel dieser kleinsten Zahlen; beweise, dass \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es sei \(\mathcal S\) die Menge aller \(r\)-elementigen Teilmengen von \(\{1,\ldots,n\}\), und wir schreiben \(m(S)=\min S\). Wir zählen die Paare \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ eine ganze Zahl mit }0\le t<m(S). \]
Für jedes feste \(S\) gibt es genau \(m(S)\) Möglichkeiten für \(t\). Die Anzahl der Paare ist daher \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
Andererseits ist die Abbildung \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] eine Bijektion auf die Menge aller \((r+1)\)-elementigen Teilmengen von \(\{0,1,\ldots,n\}\). Tatsächlich ist \(t\) das kleinste Element der entstehenden Teilmenge. Umgekehrt wählen wir für jede solche Teilmenge \(T\) die Werte \(t=\min T\) und \(S=T\setminus\{t\}\). Jedes Element von \(S\) ist positiv und größer als \(t\), sodass dies ein zulässiges Paar ergibt und die Umkehrabbildung ist.
Somit gilt \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] In \(\mathcal S\) gibt es \(\binom nr\) Teilmengen, also haben ihre kleinsten Elemente das arithmetische Mittel \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] Das Argument gilt für jedes \(1\le r\le n\), einschließlich beider Randfälle.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1981 · Soru 2
\(1 \le r \le n\) olsun ve \(\{1,2,\ldots,n\}\) kümesinin \(r\) elemanlı tüm alt kümelerini ele alalım. Bu alt kümelerin her birinin bir en küçük elemanı vardır. Bu en küçük sayıların aritmetik ortalamasını \(F(n,r)\) ile gösterelim; \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1} \] olduğunu kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(\mathcal S\), \(\{1,\ldots,n\}\) kümesinin \(r\) elemanlı tüm alt kümelerinin ailesi olsun ve \(m(S)=\min S\) yazalım. \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ bir tam sayı olmak üzere }0\le t<m(S) \] ikililerini sayacağız.
Sabit bir \(S\) için \(t\) tam olarak \(m(S)\) farklı biçimde seçilebilir. Bu nedenle ikililerin sayısı \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S) \] olur.
Öte yandan, \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] dönüşümü, \(\{0,1,\ldots,n\}\) kümesinin \((r+1)\) elemanlı tüm alt kümelerinin ailesine bir bijeksiyondur. Gerçekten de \(t\), elde edilen alt kümenin en küçük elemanıdır. Tersine, böyle bir \(T\) alt kümesi verildiğinde \(t=\min T\) ve \(S=T\setminus\{t\}\) alalım. \(S\) kümesinin her elemanı pozitif ve \(t\)'den büyük olduğundan bu işlem geçerli bir ikili verir ve ters dönüşümü oluşturur.
Dolayısıyla \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] \(\mathcal S\) ailesinde \(\binom nr\) alt küme bulunduğundan, bunların en küçük elemanlarının aritmetik ortalaması \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1} \] olur. Bu akıl yürütme, her iki uç değer de dâhil olmak üzere tüm \(1\le r\le n\) değerleri için geçerlidir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1981 · Problema 2
Sea \(1 \le r \le n\) y consideremos todos los subconjuntos de \(r\) elementos del conjunto \(\{1,2,\ldots,n\}\). Cada uno de estos subconjuntos tiene un elemento mínimo. Sea \(F(n,r)\) la media aritmética de estos elementos mínimos; demostrar que \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(\mathcal S\) la colección de todos los subconjuntos de \(r\) elementos de \(\{1,\ldots,n\}\), y escribamos \(m(S)=\min S\). Contemos los pares \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ un entero con }0\le t<m(S). \]
Para cada \(S\) fijo, hay exactamente \(m(S)\) elecciones de \(t\). Por tanto, el número de pares es \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
Por otra parte, la aplicación \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] es una biyección sobre la colección de todos los subconjuntos de \((r+1)\) elementos de \(\{0,1,\ldots,n\}\). En efecto, \(t\) es el elemento mínimo del subconjunto resultante. Recíprocamente, dado cualquiera de estos subconjuntos \(T\), tomemos \(t=\min T\) y \(S=T\setminus\{t\}\). Todo elemento de \(S\) es positivo y mayor que \(t\), de modo que esto proporciona un par válido y define la aplicación inversa.
Por consiguiente, \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] Hay \(\binom nr\) subconjuntos en \(\mathcal S\), por lo que la media aritmética de sus elementos mínimos es \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] El argumento es válido para todo \(1\le r\le n\), incluidos ambos extremos.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1981 · 问题 2
设 \(1 \le r \le n\),考虑集合 \(\{1,2,\ldots,n\}\) 的所有含 \(r\) 个元素的子集。每个这样的子集都有一个最小元素。用 \(F(n,r)\) 表示这些最小元素的算术平均值;证明 \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(\mathcal S\) 是 \(\{1,\ldots,n\}\) 的所有含 \(r\) 个元素的子集所组成的集合,并记 \(m(S)=\min S\)。我们计算下列有序对的个数: \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ 为整数,且 }0\le t<m(S). \]
对于每个固定的 \(S\),\(t\) 恰有 \(m(S)\) 种选择。因此,有序对的个数为 \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
另一方面,映射 \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] 是到 \(\{0,1,\ldots,n\}\) 的所有含 \((r+1)\) 个元素的子集所组成的集合的一个双射。事实上,\(t\) 是所得子集的最小元素。反过来,对于任意这样的子集 \(T\),取 \(t=\min T\) 及 \(S=T\setminus\{t\}\)。\(S\) 中的每个元素都是正数且大于 \(t\),所以这样得到的是一个符合条件的有序对,并且这给出了逆映射。
因此 \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] \(\mathcal S\) 中共有 \(\binom nr\) 个子集,所以它们的最小元素的算术平均值为 \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] 此论证对每个 \(1\le r\le n\) 都成立,包括两个端点的情形。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1981 · Задача 2
Пусть \(1 \le r \le n\). Рассмотрим все подмножества из \(r\) элементов множества \(\{1,2,\ldots,n\}\). В каждом из этих подмножеств есть наименьший элемент. Обозначим через \(F(n,r)\) среднее арифметическое этих наименьших чисел; докажите, что \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(\mathcal S\) — семейство всех \(r\)-элементных подмножеств множества \(\{1,\ldots,n\}\), и обозначим \(m(S)=\min S\). Подсчитаем число пар \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ — целое число, для которого }0\le t<m(S). \]
Для каждого фиксированного \(S\) существует ровно \(m(S)\) вариантов выбора \(t\). Поэтому число пар равно \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
С другой стороны, отображение \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] задаёт биекцию на семейство всех \((r+1)\)-элементных подмножеств множества \(\{0,1,\ldots,n\}\). Действительно, \(t\) — наименьший элемент полученного подмножества. Обратно, для любого такого подмножества \(T\) возьмём \(t=\min T\) и \(S=T\setminus\{t\}\). Каждый элемент \(S\) положителен и больше \(t\), поэтому полученная пара удовлетворяет условиям, а описанное отображение является обратным.
Следовательно, \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] Семейство \(\mathcal S\) содержит \(\binom nr\) подмножеств, поэтому среднее арифметическое их наименьших элементов равно \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] Рассуждение верно для всех \(1\le r\le n\), включая оба крайних значения.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1981 · المسألة 2
ليكن \(1 \le r \le n\)، ولننظر في جميع المجموعات الجزئية ذات \(r\) عناصر من المجموعة \(\{1,2,\ldots,n\}\). لكل مجموعة من هذه المجموعات الجزئية عنصر أصغر. ليرمز \(F(n,r)\) إلى المتوسط الحسابي لهذه الأعداد الصغرى؛ أثبت أن \[ F(n,r)=\frac{n+1}{r+1}. \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(\mathcal S\) عائلة جميع المجموعات الجزئية ذات \(r\) عناصر من \(\{1,\ldots,n\}\)، ولنكتب \(m(S)=\min S\). نعدّ الأزواج \[ (S,t),\qquad S\in\mathcal S,\quad t\text{ عدد صحيح بحيث }0\le t<m(S). \]
لكل \(S\) ثابتة، يوجد بالضبط \(m(S)\) اختيارًا لـ \(t\). ومن ثم فإن عدد الأزواج هو \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S). \]
من جهة أخرى، فإن التطبيق \[ (S,t)\longmapsto S\cup\{t\} \] تقابل على عائلة جميع المجموعات الجزئية ذات \((r+1)\) عنصرًا من \(\{0,1,\ldots,n\}\). بالفعل، \(t\) هو أصغر عنصر في المجموعة الجزئية الناتجة. وبالعكس، انطلاقًا من أي مجموعة جزئية كهذه \(T\)، نأخذ \(t=\min T\) و\(S=T\setminus\{t\}\). كل عنصر في \(S\) موجب وأكبر من \(t\)، لذا نحصل على زوج مستوفٍ للشروط، وهذا هو التطبيق العكسي.
وعليه \[ \sum_{S\in\mathcal S}m(S)=\binom{n+1}{r+1}. \] تحتوي \(\mathcal S\) على \(\binom nr\) مجموعة جزئية، لذا فإن المتوسط الحسابي لأصغر عناصرها هو \[ F(n,r) =\frac{\displaystyle\binom{n+1}{r+1}} {\displaystyle\binom nr} =\frac{n+1}{r+1}. \] وتصح هذه الحجة لكل \(1\le r\le n\)، بما في ذلك القيمتان الطرفيتان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).