IMO 1989 · Problem 6
A permutation \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) of the set \(\{1,2,\ldots,2n\}\), where \(n\) is a positive integer, is said to have property \(P\) if \(|x_i-x_{i+1}|=n\) for at least one \(i\) in \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\). Show that, for each \(n\), there are more permutations with property \(P\) than without.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For \(n=1\), both permutations have property \(P\). Hence assume \(n\ge2\).
For each \(j\in\{1,\ldots,n\}\), let \(A_j\) be the set of permutations in which \(j\) and \(j+n\) are consecutive. The permutations with property \(P\) are exactly those in \(A_1\cup\cdots\cup A_n\).
Treating \(j\) and \(j+n\) as one block leaves \(2n-1\) objects to arrange. The block has two possible internal orders, so \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] For distinct \(j,k\), the pairs \(\{j,j+n\}\) and \(\{k,k+n\}\) are disjoint. Treating both pairs as blocks similarly gives \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
We use the counting inequality \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] Indeed, a permutation belonging to exactly \(r\) of these sets contributes \(r-\binom r2\) to the right-hand side. This is \(0\) when \(r=0\), and when \(r\ge1\), \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] which is its contribution to the left-hand side.
Consequently, the number of permutations with property \(P\) is at least \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] Since there are \((2n)!\) permutations altogether, more have property \(P\) than do not. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1989 · Aufgabe 6
Eine Permutation \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) der Menge \(\{1,2,\ldots,2n\}\), wobei \(n\) eine positive ganze Zahl ist, hat die Eigenschaft \(P\), wenn \(|x_i-x_{i+1}|=n\) für mindestens ein \(i\) aus \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\) gilt. Man zeige, dass es für jedes \(n\) mehr Permutationen mit der Eigenschaft \(P\) als ohne diese Eigenschaft gibt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für \(n=1\) haben beide Permutationen die Eigenschaft \(P\). Wir nehmen daher \(n\ge2\) an.
Für jedes \(j\in\{1,\ldots,n\}\) sei \(A_j\) die Menge der Permutationen, in denen \(j\) und \(j+n\) unmittelbar aufeinanderfolgen. Die Permutationen mit der Eigenschaft \(P\) sind genau diejenigen in \(A_1\cup\cdots\cup A_n\).
Fassen wir \(j\) und \(j+n\) als einen Block auf, so bleiben \(2n-1\) Objekte anzuordnen. Innerhalb des Blocks sind zwei Reihenfolgen möglich, also gilt \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] Für verschiedene \(j,k\) sind die Paare \(\{j,j+n\}\) und \(\{k,k+n\}\) disjunkt. Fassen wir beide Paare als Blöcke auf, so erhalten wir entsprechend \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
Wir verwenden die Abschätzung \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] Tatsächlich trägt eine Permutation, die zu genau \(r\) dieser Mengen gehört, auf der rechten Seite \(r-\binom r2\) bei. Für \(r=0\) ist dies \(0\), und für \(r\ge1\) gilt \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] wobei \(1\) ihr Beitrag zur linken Seite ist.
Folglich ist die Anzahl der Permutationen mit der Eigenschaft \(P\) mindestens \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] Da es insgesamt \((2n)!\) Permutationen gibt, haben mehr die Eigenschaft \(P\) als nicht. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1989 · Soru 6
\(n\) bir pozitif tam sayı olmak üzere, \(\{1,2,\ldots,2n\}\) kümesinin bir \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) permütasyonunda \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\) kümesindeki en az bir \(i\) için \(|x_i-x_{i+1}|=n\) oluyorsa bu permütasyonun \(P\) özelliğine sahip olduğu söylenir. Her \(n\) için, \(P\) özelliğine sahip permütasyonların sayısının bu özelliğe sahip olmayanların sayısından fazla olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(n=1\) için her iki permütasyon da \(P\) özelliğine sahiptir. Bu nedenle \(n\ge2\) olduğunu varsayalım.
Her \(j\in\{1,\ldots,n\}\) için, \(j\) ile \(j+n\)'nin yan yana olduğu permütasyonların kümesi \(A_j\) olsun. \(P\) özelliğine sahip permütasyonlar tam olarak \(A_1\cup\cdots\cup A_n\)'deki permütasyonlardır.
\(j\) ile \(j+n\)'yi tek bir blok olarak ele aldığımızda, sıralanacak \(2n-1\) nesne kalır. Bloğun kendi içinde iki olası sıralaması olduğundan, \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] Birbirinden farklı \(j,k\) için, \(\{j,j+n\}\) ve \(\{k,k+n\}\) çiftleri ayrıktır. Her iki çifti de blok olarak ele almak benzer biçimde \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)! \] eşitliğini verir.
Şu sayma eşitsizliğini kullanacağız: \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] Gerçekten de bu kümelerin tam olarak \(r\) tanesine ait olan bir permütasyonun sağ tarafa katkısı \(r-\binom r2\)'dir. Bu katkı \(r=0\) iken \(0\)'dır; \(r\ge1\) iken ise \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] olur ve buradaki 1, bu permütasyonun sol tarafa katkısıdır.
Dolayısıyla \(P\) özelliğine sahip permütasyonların sayısı en az \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2} \end{aligned} \] kadardır. Toplam \((2n)!\) permütasyon bulunduğundan, \(P\) özelliğine sahip olanların sayısı olmayanların sayısından fazladır. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1989 · Problema 6
Se dice que una permutación \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) del conjunto \(\{1,2,\ldots,2n\}\), donde \(n\) es un entero positivo, tiene la propiedad \(P\) si \(|x_i-x_{i+1}|=n\) para al menos un \(i\) de \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\). Demostrar que, para cada \(n\), hay más permutaciones con la propiedad \(P\) que sin ella.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para \(n=1\), ambas permutaciones tienen la propiedad \(P\). Supongamos, pues, que \(n\ge2\).
Para cada \(j\in\{1,\ldots,n\}\), sea \(A_j\) el conjunto de permutaciones en las que \(j\) y \(j+n\) son consecutivos. Las permutaciones con la propiedad \(P\) son exactamente las que pertenecen a \(A_1\cup\cdots\cup A_n\).
Al considerar \(j\) y \(j+n\) como un solo bloque, quedan \(2n-1\) objetos por ordenar. El bloque tiene dos órdenes internos posibles, por lo que \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] Para \(j,k\) distintos, los pares \(\{j,j+n\}\) y \(\{k,k+n\}\) son disjuntos. Al considerar ambos pares como bloques, obtenemos de manera análoga \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
Utilizamos la desigualdad de conteo \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] En efecto, una permutación que pertenece exactamente a \(r\) de estos conjuntos contribuye con \(r-\binom r2\) al miembro derecho. Esta contribución es \(0\) cuando \(r=0\), y cuando \(r\ge1\), \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] que es su contribución al miembro izquierdo.
En consecuencia, el número de permutaciones con la propiedad \(P\) es al menos \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] Como hay \((2n)!\) permutaciones en total, hay más que tienen la propiedad \(P\) que las que no la tienen. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1989 · 问题 6
设 \(n\) 为正整数。若集合 \(\{1,2,\ldots,2n\}\) 的一个排列 \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) 满足:在 \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\) 中至少存在一个 \(i\),使得 \(|x_i-x_{i+1}|=n\),则称该排列具有性质 \(P\)。证明:对每个 \(n\),具有性质 \(P\) 的排列比不具有该性质的排列多。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
当 \(n=1\) 时,两个排列都具有性质 \(P\)。因此以下假设 \(n\ge2\)。
对每个 \(j\in\{1,\ldots,n\}\),设 \(A_j\) 为所有 \(j\) 和 \(j+n\) 相邻的排列组成的集合。具有性质 \(P\) 的排列恰好是 \(A_1\cup\cdots\cup A_n\) 中的排列。
将 \(j\) 和 \(j+n\) 看作一个整体后,共有 \(2n-1\) 个对象需要排列。这个整体内部有两种可能的次序,因此 \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] 对于不同的 \(j,k\),数对 \(\{j,j+n\}\) 和 \(\{k,k+n\}\) 不相交。将这两个数对分别看作一个整体,同样可得 \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
我们使用如下计数不等式: \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] 事实上,一个恰好属于其中 \(r\) 个集合的排列对右端的贡献为 \(r-\binom r2\)。当 \(r=0\) 时,该贡献为 \(0\);当 \(r\ge1\) 时, \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] 其中 \(1\) 正是该排列对左端的贡献。
因此,具有性质 \(P\) 的排列数至少为 \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] 由于总共有 \((2n)!\) 个排列,具有性质 \(P\) 的排列比不具有该性质的排列多。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1989 · Задача 6
Говорят, что перестановка \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) множества \(\{1,2,\ldots,2n\}\), где \(n\) — положительное целое число, обладает свойством \(P\), если \(|x_i-x_{i+1}|=n\) хотя бы для одного \(i\) из \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\). Докажите, что при каждом \(n\) перестановок, обладающих свойством \(P\), больше, чем перестановок, не обладающих этим свойством.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
При \(n=1\) обе перестановки обладают свойством \(P\). Поэтому будем считать, что \(n\ge2\).
Для каждого \(j\in\{1,\ldots,n\}\) обозначим через \(A_j\) множество перестановок, в которых \(j\) и \(j+n\) стоят рядом. Перестановки, обладающие свойством \(P\), — это в точности перестановки из \(A_1\cup\cdots\cup A_n\).
Рассматривая \(j\) и \(j+n\) как один блок, получаем \(2n-1\) объектов, которые нужно упорядочить. Внутри блока возможны два порядка, поэтому \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] Для различных \(j,k\) пары \(\{j,j+n\}\) и \(\{k,k+n\}\) не пересекаются. Рассматривая обе пары как блоки, аналогично получаем \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
Воспользуемся следующим неравенством для числа элементов объединения: \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] Действительно, перестановка, принадлежащая ровно \(r\) из этих множеств, вносит вклад \(r-\binom r2\) в правую часть. Он равен \(0\) при \(r=0\), а при \(r\ge1\) \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] где единица — её вклад в левую часть.
Следовательно, число перестановок, обладающих свойством \(P\), не меньше \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] Поскольку всего имеется \((2n)!\) перестановок, свойством \(P\) обладает больше перестановок, чем не обладает. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1989 · المسألة 6
نقول إن تبديلًا \((x_1,x_2,\ldots,x_m)\) للمجموعة \(\{1,2,\ldots,2n\}\)، حيث \(n\) عدد صحيح موجب، يتمتع بالخاصية \(P\) إذا كان \(|x_i-x_{i+1}|=n\) لقيمة واحدة على الأقل لـ\(i\) في \(\{1,2,\ldots,2n-1\}\). أثبت أنه، لكل \(n\)، عدد التبديلات التي تتمتع بالخاصية \(P\) أكبر من عدد التبديلات التي لا تتمتع بها.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
عندما \(n=1\)، يتمتع كلا التبديلين بالخاصية \(P\). لذا نفترض أن \(n\ge2\).
لكل \(j\in\{1,\ldots,n\}\)، لتكن \(A_j\) مجموعة التبديلات التي يكون فيها \(j\) و\(j+n\) متجاورين. والتبديلات التي تتمتع بالخاصية \(P\) هي بالضبط التبديلات التي تنتمي إلى \(A_1\cup\cdots\cup A_n\).
عند اعتبار \(j\) و\(j+n\) كتلة واحدة، يبقى \(2n-1\) عنصرًا لترتيبها. وللكتلة ترتيبان داخليان ممكنان، ولذلك \[ |A_j|=2(2n-1)!. \] إذا كان \(j,k\) مختلفين، فإن الزوجين \(\{j,j+n\}\) و\(\{k,k+n\}\) متباينان. وباعتبار كل زوج كتلة واحدة نحصل بالمثل على \[ |A_j\cap A_k|=4(2n-2)!. \]
نستخدم متباينة العدّ \[ \left|\bigcup_{j=1}^{n}A_j\right| \ge \sum_{j=1}^{n}|A_j| -\sum_{1\le j<k\le n}|A_j\cap A_k|. \] بالفعل، يساهم أي تبديل ينتمي إلى \(r\) من هذه المجموعات بالضبط بمقدار \(r-\binom r2\) في الطرف الأيمن. وهذا المقدار يساوي \(0\) عندما \(r=0\)، وعندما \(r\ge1\)، فإن \[ r-\binom r2 =1-\frac{(r-1)(r-2)}2\le1, \] وهو مقدار مساهمته في الطرف الأيسر.
وبالتالي فإن عدد التبديلات التي تتمتع بالخاصية \(P\) لا يقل عن \[ \begin{aligned} 2n(2n-1)!-4\binom n2(2n-2)! &=(2n)!\left(1-\frac{n-1}{2n-1}\right)\\ &=\frac{n}{2n-1}(2n)!\\ &>\frac{(2n)!}{2}. \end{aligned} \] وبما أن العدد الكلي للتبديلات هو \((2n)!\)، فإن عدد التبديلات التي تتمتع بالخاصية \(P\) أكبر من عدد التبديلات التي لا تتمتع بها. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).