IMO 1990 · Problem 2
Let \(n \geq 3\) and consider a set \(E\) of \(2n - 1\) distinct points on a circle. Suppose that exactly \(k\) of these points are to be colored black. Such a coloring is “good” if there is at least one pair of black points such that the interior of one of the arcs between them contains exactly \(n\) points from \(E\). Find the smallest value of \(k\) so that every such coloring of \(k\) points of \(E\) is good.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
Solution
Put \(N=2n-1\), and label the points \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\) in clockwise order, with all subscripts interpreted modulo \(N\).
The clockwise arc from \(P_i\) to \(P_{i+n+1}\) contains exactly the \(n\) points \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] in its interior. Conversely, any arc containing exactly \(n\) points in its interior has endpoints of this form, when read clockwise. Thus a coloring is not good precisely when no pair \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] consists of two black points.
Consider the permutation \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] Let \[ d=\gcd(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] Starting at any point, repeated application of \(T\) returns to that point after exactly \(L\) steps. Indeed, \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] where the last equivalence follows from \[ \gcd\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1. \] Consequently, \(T\) partitions the \(N\) points into \(d\) disjoint cycles, each of length \(L\). Since \(N\) is odd and \(0<n+1<N\), the number \(L\) is odd and at least \(3\).
The pairs that make a coloring good are exactly the consecutive pairs in these cycles, including each cycle’s last and first points. We therefore determine how many black points a cycle can contain without two consecutive points being black.
If a cycle contains \(b\) black points and no two are consecutive, the successor of each black point must be white. These successors are distinct, so \[ b\leq L-b. \] As \(L\) is odd, this gives \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] This bound is attained: writing the cycle in order as \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\), color exactly \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] black. No two of these points are consecutive, including across the end of the cycle.
Applying this construction independently to all \(d\) cycles shows that the maximum possible number of black points in a coloring that is not good is \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2}. \] Any smaller number is also possible by changing some of these black points to white. Hence the required minimum is \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
Finally, \[ d=\gcd(2n-1,n+1) =\gcd\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\gcd(3,n+1). \] Thus \(d=3\) when \(n\equiv2\pmod3\), and \(d=1\) otherwise. Substituting \(N=2n-1\) gives the stated answer.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1990 · Aufgabe 2
Sei \(n \geq 3\), und betrachte eine Menge \(E\) von \(2n - 1\) verschiedenen Punkten auf einem Kreis. Genau \(k\) dieser Punkte sollen schwarz gefärbt werden. Eine solche Färbung heißt „gut“, wenn es mindestens ein Paar schwarzer Punkte gibt, sodass das Innere eines der Kreisbögen zwischen ihnen genau \(n\) Punkte aus \(E\) enthält. Bestimme den kleinsten Wert von \(k\), für den jede solche Färbung von \(k\) Punkten aus \(E\) gut ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
Lösung
Setze \(N=2n-1\), und bezeichne die Punkte im Uhrzeigersinn mit \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\), wobei alle Indizes modulo \(N\) zu verstehen sind.
Der im Uhrzeigersinn von \(P_i\) nach \(P_{i+n+1}\) verlaufende Kreisbogen enthält in seinem Inneren genau die \(n\) Punkte \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] Umgekehrt hat jeder Kreisbogen, der in seinem Inneren genau \(n\) Punkte enthält, bei Betrachtung im Uhrzeigersinn Endpunkte dieser Form. Eine Färbung ist also genau dann nicht gut, wenn kein Paar \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] aus zwei schwarzen Punkten besteht.
Betrachte die Permutation \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] Seien \[ d=\operatorname{ggT}(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] Beginnt man bei einem beliebigen Punkt, so kehrt man durch wiederholte Anwendung von \(T\) nach genau \(L\) Schritten zu diesem Punkt zurück. Tatsächlich gilt \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] wobei die letzte Äquivalenz aus \[ \operatorname{ggT}\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1 \] folgt. Somit zerlegt \(T\) die \(N\) Punkte in \(d\) disjunkte Zyklen, die jeweils die Länge \(L\) haben. Da \(N\) ungerade ist und \(0<n+1<N\) gilt, ist die Zahl \(L\) ungerade und mindestens \(3\).
Die Paare, die eine Färbung gut machen, sind genau die aufeinanderfolgenden Paare in diesen Zyklen, einschließlich des letzten und des ersten Punktes jedes Zyklus. Wir bestimmen daher, wie viele schwarze Punkte ein Zyklus enthalten kann, ohne dass zwei aufeinanderfolgende Punkte schwarz sind.
Enthält ein Zyklus \(b\) schwarze Punkte, von denen keine zwei aufeinanderfolgen, so muss der Nachfolger jedes schwarzen Punktes weiß sein. Diese Nachfolger sind verschieden, also gilt \[ b\leq L-b. \] Da \(L\) ungerade ist, ergibt dies \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] Diese Schranke wird erreicht: Bezeichnen wir die Punkte des Zyklus der Reihe nach mit \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\), so färben wir genau \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] schwarz. Keine zwei dieser Punkte folgen aufeinander, auch nicht am Übergang vom Ende zum Anfang des Zyklus.
Wenden wir diese Konstruktion unabhängig auf alle \(d\) Zyklen an, so sehen wir, dass die größtmögliche Anzahl schwarzer Punkte in einer nicht guten Färbung \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2} \] beträgt. Jede kleinere Anzahl ist ebenfalls möglich, indem man einige dieser schwarzen Punkte weiß färbt. Daher ist das gesuchte Minimum \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
Schließlich gilt \[ d=\operatorname{ggT}(2n-1,n+1) =\operatorname{ggT}\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\operatorname{ggT}(3,n+1). \] Somit gilt \(d=3\), wenn \(n\equiv2\pmod3\), und andernfalls \(d=1\). Einsetzen von \(N=2n-1\) liefert die angegebene Antwort.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1990 · Soru 2
\(n \geq 3\) olsun ve bir çember üzerindeki \(2n - 1\) farklı noktadan oluşan bir \(E\) kümesi ele alalım. Bu noktalardan tam \(k\) tanesi siyaha boyanacaktır. Aralarındaki yaylardan birinin iç kısmında \(E\) kümesinden tam \(n\) nokta bulunan en az bir siyah nokta çifti varsa, böyle bir boyamaya “iyi” denir. \(E\) kümesinin \(k\) noktasının bu şekilde boyandığı her boyamanın iyi olmasını sağlayan en küçük \(k\) değerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
Çözüm
\(N=2n-1\) olsun ve noktaları saat yönünde \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\) olarak adlandıralım; tüm indisler \(N\) modülünde değerlendirilsin.
\(P_i\) noktasından \(P_{i+n+1}\) noktasına saat yönünde gidilen yayın iç kısmında tam olarak \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] ile verilen \(n\) nokta bulunur. Tersine, iç kısmında tam \(n\) nokta bulunan her yayın uç noktaları, saat yönünde ele alındığında bu biçimdedir. Dolayısıyla bir boyamanın iyi olmaması için gerek ve yeter koşul, hiçbir \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] çiftinin iki siyah noktadan oluşmamasıdır.
\[ T(P_i)=P_{i+n+1} \] permütasyonunu ele alalım. \[ d=\operatorname{ebob}(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d} \] olsun. Herhangi bir noktadan başlayıp \(T\) art arda uygulandığında, tam \(L\) adım sonra o noktaya dönülür. Gerçekten, \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t \] burada son denklik \[ \operatorname{ebob}\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1 \] eşitliğinden çıkar. Sonuç olarak \(T\), \(N\) noktayı her biri \(L\) uzunluğunda olan \(d\) ayrık döngüye ayırır. \(N\) tek ve \(0<n+1<N\) olduğundan \(L\) sayısı tektir ve en az \(3\) olur.
Bir boyamayı iyi yapan çiftler, her döngünün son ve ilk noktalarının oluşturduğu çift de dahil olmak üzere, tam olarak bu döngülerdeki ardışık nokta çiftleridir. Bu nedenle, ardışık iki noktası siyah olmadan bir döngüde kaç siyah nokta bulunabileceğini belirleyelim.
Bir döngüde \(b\) siyah nokta varsa ve bunlardan hiçbir ikisi ardışık değilse, her siyah noktadan hemen sonra gelen nokta beyaz olmalıdır. Bu ardıl noktalar birbirinden farklı olduğundan \[ b\leq L-b \] olur. \(L\) tek olduğundan buradan \[ b\leq \frac{L-1}{2} \] elde edilir. Bu sınıra ulaşılabilir: döngüyü sırasıyla \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\) olarak yazıp yalnızca \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] noktalarını siyaha boyayalım. Döngünün sonundan başına geçiş de dahil olmak üzere, bu noktaların hiçbir ikisi ardışık değildir.
Bu yapıyı \(d\) döngünün her birine bağımsız olarak uygulamak, iyi olmayan bir boyamadaki siyah nokta sayısının alabileceği en büyük değerin \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2} \] olduğunu gösterir. Bu siyah noktaların bazılarını beyaza boyayarak daha küçük her sayıya da ulaşılabilir. Dolayısıyla istenen en küçük değer \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1 \] olur.
Son olarak, \[ d=\operatorname{ebob}(2n-1,n+1) =\operatorname{ebob}\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\operatorname{ebob}(3,n+1). \] Böylece \(n\equiv2\pmod3\) iken \(d=3\), diğer durumlarda ise \(d=1\) olur. \(N=2n-1\) yerine yazıldığında belirtilen cevap elde edilir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1990 · Problema 2
Sea \(n \geq 3\) y consideremos un conjunto \(E\) de \(2n - 1\) puntos distintos de una circunferencia. Supongamos que se van a colorear de negro exactamente \(k\) de estos puntos. Tal coloración es «buena» si existe al menos un par de puntos negros tal que el interior de uno de los arcos entre ellos contiene exactamente \(n\) puntos de \(E\). Hallar el menor valor de \(k\) para el que toda coloración de este tipo de \(k\) puntos de \(E\) sea buena.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
Solución
Sea \(N=2n-1\), y designemos los puntos por \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\) en el sentido de las agujas del reloj, interpretando todos los subíndices módulo \(N\).
El arco que va de \(P_i\) a \(P_{i+n+1}\) en el sentido de las agujas del reloj contiene exactamente los \(n\) puntos \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] en su interior. Recíprocamente, todo arco que contiene exactamente \(n\) puntos en su interior tiene extremos de esta forma, al recorrerlo en el sentido de las agujas del reloj. Así pues, una coloración no es buena precisamente cuando ningún par \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] consta de dos puntos negros.
Consideremos la permutación \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] Sean \[ d=\operatorname{mcd}(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] Partiendo de cualquier punto, la aplicación repetida de \(T\) vuelve a ese punto tras exactamente \(L\) pasos. En efecto, \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] donde la última equivalencia se deduce de \[ \operatorname{mcd}\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1. \] En consecuencia, \(T\) divide los \(N\) puntos en \(d\) ciclos disjuntos, cada uno de longitud \(L\). Como \(N\) es impar y \(0<n+1<N\), el número \(L\) es impar y al menos \(3\).
Los pares que hacen que una coloración sea buena son exactamente los pares consecutivos de estos ciclos, incluidos el último y el primer punto de cada ciclo. Por tanto, determinaremos cuántos puntos negros puede contener un ciclo sin que haya dos puntos consecutivos negros.
Si un ciclo contiene \(b\) puntos negros y no hay dos consecutivos, el sucesor de cada punto negro debe ser blanco. Estos sucesores son distintos, por lo que \[ b\leq L-b. \] Como \(L\) es impar, esto da \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] Esta cota se alcanza: escribiendo el ciclo en orden como \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\), coloreamos de negro exactamente \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] No hay dos de estos puntos que sean consecutivos, tampoco al pasar del final al principio del ciclo.
Aplicando esta construcción de forma independiente a los \(d\) ciclos, vemos que el máximo número posible de puntos negros en una coloración que no es buena es \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2}. \] Cualquier número menor también es posible cambiando a blanco algunos de estos puntos negros. Por tanto, el mínimo buscado es \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
Finalmente, \[ d=\operatorname{mcd}(2n-1,n+1) =\operatorname{mcd}\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\operatorname{mcd}(3,n+1). \] Así, \(d=3\) cuando \(n\equiv2\pmod3\), y \(d=1\) en caso contrario. Sustituyendo \(N=2n-1\) se obtiene la respuesta indicada.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1990 · 问题 2
设 \(n \geq 3\),圆上 \(2n - 1\) 个不同的点组成集合 \(E\)。现将其中恰好 \(k\) 个点染成黑色。如果至少存在一对黑点,使得以它们为端点的两条弧中,有一条弧的内部恰好含有 \(E\) 中的 \(n\) 个点,就称这种染色为“好的”。求 \(k\) 的最小值,使得将 \(E\) 中 \(k\) 个点染成黑色的每一种染色都是好的。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
解答
令 \(N=2n-1\),并按顺时针方向将各点依次标记为 \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\),所有下标均按模 \(N\) 理解。
从 \(P_i\) 沿顺时针方向到 \(P_{i+n+1}\) 的弧,其内部恰好含有以下 \(n\) 个点: \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] 反过来,任何内部恰好含有 \(n\) 个点的弧,沿顺时针方向看,其端点都具有上述形式。因此,一种染色不是好的,当且仅当不存在一对 \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] 均为黑点。
考虑置换 \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] 令 \[ d=\gcd(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] 从任意一点出发,反复作用 \(T\),恰好经过 \(L\) 步首次回到该点。事实上, \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] 其中最后一个等价关系由 \[ \gcd\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1. \] 得到。因此,\(T\) 将这 \(N\) 个点划分为 \(d\) 个互不相交的循环,每个循环的长度均为 \(L\)。由于 \(N\) 为奇数且 \(0<n+1<N\),\(L\) 为奇数且至少为 \(3\)。
使染色成为好的染色的点对,恰好是这些循环中的相邻点对,包括每个循环的最后一点与第一点。因此,我们来确定在没有两个相邻点均为黑点的条件下,一个循环最多能含有多少个黑点。
如果一个循环含有 \(b\) 个黑点,且任意两个黑点均不相邻,那么每个黑点的后继点都必须为白点。这些后继点互不相同,所以 \[ b\leq L-b. \] 由于 \(L\) 为奇数,得 \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] 这个上界可以达到:将循环中的点按顺序记为 \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\),只将 \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] 染成黑色。这些点中没有两个相邻,循环首尾相接处也不例外。
对全部 \(d\) 个循环分别应用这一构造,便知在不是好的染色中,黑点数的最大可能值为 \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2}. \] 将其中一些黑点改染为白色,还可以得到黑点数为任意更小数目的染色。因此,所求最小值为 \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
最后, \[ d=\gcd(2n-1,n+1) =\gcd\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\gcd(3,n+1). \] 因此,当 \(n\equiv2\pmod3\) 时,\(d=3\);否则,\(d=1\)。代入 \(N=2n-1\),即得所述答案。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1990 · Задача 2
Пусть \(n \geq 3\), и рассмотрим множество \(E\), состоящее из \(2n - 1\) различных точек окружности. Предположим, что ровно \(k\) из этих точек нужно покрасить в чёрный цвет. Такая раскраска называется «хорошей», если существует хотя бы одна пара чёрных точек, для которой внутри одной из дуг между ними содержится ровно \(n\) точек множества \(E\). Найдите наименьшее значение \(k\), при котором любая такая раскраска \(k\) точек множества \(E\) является хорошей.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
Решение
Положим \(N=2n-1\) и обозначим точки через \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\) в порядке обхода по часовой стрелке, считая все индексы по модулю \(N\).
Дуга от \(P_i\) до \(P_{i+n+1}\), проходимая по часовой стрелке, содержит внутри ровно \(n\) точек \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] Обратно, концы любой дуги, содержащей внутри ровно \(n\) точек, имеют такой вид, если обходить её по часовой стрелке. Таким образом, раскраска не является хорошей тогда и только тогда, когда ни одна пара \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] не состоит из двух чёрных точек.
Рассмотрим перестановку \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] Пусть \[ d=\operatorname{НОД}(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] Начав с любой точки и последовательно применяя \(T\), мы впервые вернёмся в эту точку ровно через \(L\) шагов. Действительно, \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] где последняя эквивалентность следует из равенства \[ \operatorname{НОД}\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1. \] Следовательно, \(T\) разбивает \(N\) точек на \(d\) непересекающихся циклов длины \(L\) каждый. Поскольку \(N\) нечётно и \(0<n+1<N\), число \(L\) нечётно и не меньше \(3\).
Пары, делающие раскраску хорошей, — это в точности пары соседних точек в этих циклах, включая последнюю и первую точки каждого цикла. Поэтому определим, сколько чёрных точек может содержать цикл, если никакие две соседние точки не являются чёрными.
Если цикл содержит \(b\) чёрных точек и никакие две из них не соседние, то следующая за каждой чёрной точкой точка должна быть белой. Все эти следующие точки различны, поэтому \[ b\leq L-b. \] Так как \(L\) нечётно, получаем \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] Эта оценка достигается: записав точки цикла по порядку как \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\), покрасим в чёрный цвет ровно точки \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] Никакие две из этих точек не соседние, в том числе при переходе от конца цикла к его началу.
Применяя эту конструкцию независимо ко всем \(d\) циклам, получаем, что наибольшее возможное число чёрных точек в раскраске, не являющейся хорошей, равно \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2}. \] Любое меньшее число также возможно: достаточно перекрасить некоторые из этих чёрных точек в белый цвет. Значит, искомый минимум равен \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
Наконец, \[ d=\operatorname{НОД}(2n-1,n+1) =\operatorname{НОД}\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\operatorname{НОД}(3,n+1). \] Таким образом, \(d=3\) при \(n\equiv2\pmod3\), а в остальных случаях \(d=1\). Подставляя \(N=2n-1\), получаем указанный ответ.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1990 · المسألة 2
ليكن \(n \geq 3\)، ولنعتبر مجموعة \(E\) مؤلفة من \(2n - 1\) نقطة متميزة على دائرة. لنفترض أننا نريد تلوين \(k\) نقطة بالضبط من هذه النقاط بالأسود. نسمّي هذا التلوين «جيدًا» إذا وُجد زوج واحد على الأقل من النقاط السوداء بحيث يحتوي داخل أحد القوسين بينهما على \(n\) نقطة بالضبط من \(E\). أوجد أصغر قيمة لـ \(k\) بحيث يكون كل تلوين من هذا النوع لـ \(k\) نقطة من \(E\) جيدًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{ k_{\min}= \begin{cases} n-1,& n\equiv 2\pmod 3,\\ n,& n\not\equiv 2\pmod 3. \end{cases}} \]
الحل
نضع \(N=2n-1\)، ونسمّي النقاط \(P_0,P_1,\ldots,P_{N-1}\) بحسب ترتيبها في اتجاه عقارب الساعة، مع اعتبار جميع المؤشرات بترديد \(N\).
يحتوي داخل القوس الممتد في اتجاه عقارب الساعة من \(P_i\) إلى \(P_{i+n+1}\) على النقاط الـ \(n\) \[ P_{i+1},P_{i+2},\ldots,P_{i+n} \] بالضبط. وبالعكس، فإن أي قوس يحتوي داخله على \(n\) نقطة بالضبط تكون نهايتاه من هذا الشكل، عند قراءته في اتجاه عقارب الساعة. لذا يكون التلوين غير جيد إذا وفقط إذا لم يوجد زوج \[ P_i,\ P_{i+n+1} \] تكون نقطتاه سوداوين.
لنعتبر التبديل \[ T(P_i)=P_{i+n+1}. \] ولتكن \[ d=\gcd(N,n+1),\qquad L=\frac{N}{d}. \] عند البدء من أي نقطة، يعيدنا تكرار تطبيق \(T\) إلى تلك النقطة بعد \(L\) خطوة بالضبط. بالفعل، \[ T^t(P_i)=P_i \quad\Longleftrightarrow\quad N\mid t(n+1) \quad\Longleftrightarrow\quad L\mid t, \] حيث ينتج التكافؤ الأخير من \[ \gcd\left(\frac{N}{d},\frac{n+1}{d}\right)=1. \] وبالتالي، يقسم \(T\) النقاط الـ \(N\) إلى \(d\) دورات متباينة، طول كل منها \(L\). وبما أن \(N\) فردي و\(0<n+1<N\)، فإن العدد \(L\) فردي ولا يقل عن \(3\).
الأزواج التي تجعل التلوين جيدًا هي بالضبط أزواج النقاط المتتالية في هذه الدورات، بما في ذلك النقطتان الأخيرة والأولى في كل دورة. لذلك نحدد عدد النقاط السوداء التي يمكن أن تحتويها دورة من دون أن تكون فيها نقطتان متتاليتان سوداوين.
إذا احتوت دورة على \(b\) نقطة سوداء ولم تكن أي نقطتين منها متتاليتين، وجب أن تكون النقطة التالية لكل نقطة سوداء بيضاء. وهذه النقاط التالية متميزة، ومن ثم \[ b\leq L-b. \] وبما أن \(L\) فردي، ينتج أن \[ b\leq \frac{L-1}{2}. \] يمكن بلوغ هذا الحد: إذا كتبنا نقاط الدورة بالترتيب \(Q_0,Q_1,\ldots,Q_{L-1}\)، نلوّن النقاط \[ Q_0,Q_2,\ldots,Q_{L-3} \] وحدها بالأسود. لا توجد نقطتان متتاليتان بين هذه النقاط، حتى عند الانتقال من نهاية الدورة إلى بدايتها.
بتطبيق هذا الإنشاء على كل دورة من الدورات الـ \(d\) بصورة مستقلة، نرى أن أكبر عدد ممكن من النقاط السوداء في تلوين غير جيد هو \[ d\frac{L-1}{2}=\frac{N-d}{2}. \] ويمكن أيضًا تحقيق أي عدد أصغر بتغيير لون بعض هذه النقاط السوداء إلى الأبيض. ومن ثم فإن القيمة الصغرى المطلوبة هي \[ k_{\min}=\frac{N-d}{2}+1. \]
وأخيرًا، \[ d=\gcd(2n-1,n+1) =\gcd\bigl(2(n+1)-(2n-1),n+1\bigr) =\gcd(3,n+1). \] إذن \(d=3\) عندما \(n\equiv2\pmod3\)، و\(d=1\) فيما عدا ذلك. وبالتعويض بـ \(N=2n-1\) نحصل على الإجابة المذكورة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).