IMO 1993 · Problem 3
On an infinite chessboard, a game is played as follows. At the start, \(n^2\) pieces are arranged on the chessboard in an \(n\) by \(n\) block of adjoining squares, one piece in each square. A move in the game is a jump in a horizontal or vertical direction over an adjacent occupied square to an unoccupied square immediately beyond. The piece which has been jumped over is removed.
Find those values of \(n\) for which the game can end with only one piece remaining on the board.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{\text{All positive integers }n\text{ not divisible by }3.} \]
Solution
Identify the squares with points \((x,y)\in\mathbb Z^2\).
First, colour each square according to the residue of \(x+y\) modulo \(3\). Every jump involves exactly one square of each colour: two occupied squares become empty, and one empty square becomes occupied. Thus every move reverses the parity of all three colour counts.
If \(3\mid n\), the initial square contains exactly \(n^2/3\) pieces of each colour. The three colour counts therefore have the same parity, and this remains true after every move. A configuration consisting of one piece has colour counts \(1,0,0\) in some order, whose parities are not all equal. Hence \(3\mid n\) is impossible.
We now construct solutions for all other \(n\).
A three-piece removal operation. Let \(e,f\) be perpendicular unit lattice vectors. Suppose the squares \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] are occupied, while \(C=A-f\) is empty. Make the three jumps \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] These are legal: their jumped-over squares are respectively \(A,A+e,A\). At the end, the three pieces at \(A,A+e,A+2e\) have disappeared, and the supporting piece at \(B\) has returned to its original position. Every other square is unchanged.
Removing a strip. Suppose \(h\ge3\), all squares \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] are occupied, and \((3,0)\) is also occupied. Assume that \((0,h)\) and \((-1,0)\) are empty. We can remove the entire \(3\) by \(h\) strip while leaving every other piece unchanged.
Indeed, for \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] remove the horizontal triple \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] using the supporting piece \((0,y-1)\) and the empty square \((0,y+1)\). The latter is either the initially empty square \((0,h)\), or a square cleared at the preceding step.
There remains a \(3\) by \(3\) block. For \(x=0,1,2\), in that order, remove the vertical triple \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] using the supporting piece \((x+1,0)\) and the empty square \((x-1,0)\). Again, the required empty square is either initially empty or has already been cleared. The final supporting piece is \((3,0)\), which is preserved.
Now start with a full \(N\) by \(N\) square \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] Remove its leftmost three columns by this procedure, using \((3,0)\) as the final supporting piece. Then use the rotated procedure to remove the bottom three rows of the remaining rectangle. This second strip has length \(N-3\ge3\), its final supporting piece is \((3,3)\), and its required exterior empty squares are \((N,0)\) and \((3,-1)\).
The remaining configuration is exactly \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] a full square of side \(N-3\), with no pieces elsewhere.
Consequently, for \(3\nmid n\), it suffices to solve the four cases \(n=1,2,4,5\).
For \(n=1\), there is already one piece. For \(n=2\), starting with \(\{0,1\}^2\), make the jumps \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] Only the piece at \((2,2)\) remains.
For \(n=4\) and \(n=5\), the following diagrams give complete constructions using the three-piece removal operation. Every displayed square initially contains a piece. Remove the three squares labelled \(1\), then those labelled \(2\), and so on. An arrow at an endpoint of a triple points towards its supporting piece; the square immediately opposite that arrow is the required empty square. The star marks the piece that remains.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
To verify legality, observe that each label occurs on three consecutive squares. Every arrow points to a square bearing a larger label or a star, so its supporting piece is still present. The square opposite the arrow lies outside the displayed square or bears a smaller label, so it is empty. Thus every indicated removal is legal, and each diagram reduces to its single starred piece.
This proves the claimed characterization.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1993 · Aufgabe 3
Auf einem unendlichen Schachbrett wird folgendes Spiel gespielt. Zu Beginn sind \(n^2\) Spielsteine auf dem Schachbrett in einem \(n\) mal \(n\) großen Block aus zusammenhängenden Feldern angeordnet, mit einem Spielstein auf jedem Feld. Ein Spielzug besteht darin, in waagerechter oder senkrechter Richtung über ein benachbartes besetztes Feld auf das unmittelbar dahinterliegende unbesetzte Feld zu springen. Der übersprungene Spielstein wird entfernt.
Bestimme alle Werte von \(n\), für die das Spiel so enden kann, dass nur noch ein Spielstein auf dem Brett verbleibt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{\text{Alle positiven ganzen Zahlen }n\text{ außer den Vielfachen von }3.} \]
Lösung
Identifiziere die Felder mit Punkten \((x,y)\in\mathbb Z^2\).
Färbe zunächst jedes Feld entsprechend dem Rest von \(x+y\) modulo \(3\). An jedem Sprung ist genau ein Feld jeder Farbe beteiligt: Zwei besetzte Felder werden leer, und ein leeres Feld wird besetzt. Somit kehrt jeder Zug die Parität aller drei Anzahlen von Spielsteinen auf den jeweiligen Farben um.
Ist \(3\mid n\), so enthält das anfängliche Quadrat genau \(n^2/3\) Spielsteine jeder Farbe. Die drei Anzahlen haben daher dieselbe Parität, und dies bleibt nach jedem Zug so. Bei einer Anordnung aus nur einem Spielstein sind die Anzahlen der Farben in irgendeiner Reihenfolge \(1,0,0\), deren Paritäten nicht alle gleich sind. Daher ist \(3\mid n\) unmöglich.
Wir konstruieren nun Lösungen für alle übrigen \(n\).
Eine Operation zum Entfernen von drei Spielsteinen. Seien \(e,f\) zueinander senkrechte Einheitsvektoren des Gitters. Angenommen, die Felder \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] sind besetzt, während \(C=A-f\) leer ist. Führe die drei Sprünge \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B \] aus. Diese sind zulässig: Die jeweils übersprungenen Felder sind \(A,A+e,A\). Am Ende sind die drei Spielsteine auf \(A,A+e,A+2e\) verschwunden, und der als Hilfe dienende Spielstein auf \(B\) ist an seine ursprüngliche Position zurückgekehrt. Alle anderen Felder bleiben unverändert.
Entfernen eines Streifens. Angenommen, \(h\ge3\), alle Felder \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] sind besetzt, und auch \((3,0)\) ist besetzt. Nehmen wir an, dass \((0,h)\) und \((-1,0)\) leer sind. Wir können den gesamten \(3\) mal \(h\) großen Streifen entfernen, wobei alle anderen Spielsteine unverändert bleiben.
Entferne dazu für \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] die waagerechte Dreiergruppe \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] mithilfe des Spielsteins auf \((0,y-1)\) und des leeren Feldes \((0,y+1)\). Letzteres ist entweder das anfänglich leere Feld \((0,h)\) oder ein Feld, das im vorhergehenden Schritt geleert wurde.
Es verbleibt ein \(3\) mal \(3\) großer Block. Entferne für \(x=0,1,2\), in dieser Reihenfolge, die senkrechte Dreiergruppe \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] mithilfe des Spielsteins auf \((x+1,0)\) und des leeren Feldes \((x-1,0)\). Auch hier ist das benötigte leere Feld entweder anfänglich leer oder bereits geleert worden. Der zuletzt als Hilfe dienende Spielstein liegt auf \((3,0)\) und bleibt erhalten.
Beginne nun mit einem vollständig besetzten \(N\) mal \(N\) großen Quadrat \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] Entferne seine drei äußersten linken Spalten mit diesem Verfahren, wobei \((3,0)\) als letztes Hilfsfeld dient. Wende dann das gedrehte Verfahren an, um die untersten drei Zeilen des verbleibenden Rechtecks zu entfernen. Dieser zweite Streifen hat die Länge \(N-3\ge3\), sein letzter Hilfsstein liegt auf \((3,3)\), und die benötigten äußeren leeren Felder sind \((N,0)\) und \((3,-1)\).
Die verbleibende Anordnung ist genau \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] also ein vollständig besetztes Quadrat der Seitenlänge \(N-3\), außerhalb dessen keine Spielsteine liegen.
Folglich genügt es für \(3\nmid n\), die vier Fälle \(n=1,2,4,5\) zu lösen.
Für \(n=1\) gibt es bereits nur einen Spielstein. Führe für \(n=2\), ausgehend von \(\{0,1\}^2\), die Sprünge \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2) \] aus. Nur der Spielstein auf \((2,2)\) bleibt übrig.
Für \(n=4\) und \(n=5\) geben die folgenden Diagramme vollständige Konstruktionen mithilfe der Operation zum Entfernen von drei Spielsteinen an. Jedes dargestellte Feld enthält anfangs einen Spielstein. Entferne die drei mit \(1\) beschrifteten Felder, dann diejenigen mit \(2\) und so weiter. Ein Pfeil an einem Ende einer Dreiergruppe zeigt auf den als Hilfe dienenden Spielstein; das unmittelbar entgegengesetzt zur Pfeilrichtung liegende Feld ist das benötigte leere Feld. Der Stern markiert den Spielstein, der übrig bleibt.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
Um die Zulässigkeit zu überprüfen, beachte, dass jede Beschriftung auf drei aufeinanderfolgenden Feldern vorkommt. Jeder Pfeil zeigt auf ein Feld mit einer größeren Zahl oder einem Stern, sodass der zugehörige Hilfsstein noch vorhanden ist. Das entgegen der Pfeilrichtung liegende Feld liegt außerhalb des dargestellten Quadrats oder trägt eine kleinere Zahl und ist daher leer. Somit ist jede angegebene Entfernung zulässig, und jedes Diagramm wird auf seinen einzigen mit einem Stern markierten Spielstein reduziert.
Damit ist die behauptete Charakterisierung bewiesen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1993 · Soru 3
Sonsuz bir satranç tahtasında aşağıdaki gibi bir oyun oynanıyor. Başlangıçta, \(n^2\) taş satranç tahtasında, bitişik karelerden oluşan \(n\) çarpı \(n\)'lik bir blok içine, her karede bir taş olacak şekilde yerleştiriliyor. Oyundaki bir hamle, bir taşın yatay veya düşey yönde, bitişiğindeki dolu bir karenin üzerinden atlayarak onun hemen ötesindeki boş kareye geçmesidir. Üzerinden atlanan taş tahtadan kaldırılır.
Oyunun tahtada yalnızca bir taş kalarak sona erebileceği \(n\) değerlerini bulunuz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{\text{3 ile bölünmeyen tüm }n\text{ pozitif tam sayıları.}} \]
Çözüm
Kareleri \((x,y)\in\mathbb Z^2\) noktalarıyla özdeşleştirelim.
Önce her kareyi \(x+y\)'nin modül \(3\)'teki kalanına göre boyayalım. Her atlamada her renkten tam bir kare yer alır: iki dolu kare boşalır ve bir boş kare dolar. Dolayısıyla her hamle, üç rengin her birine ait taş sayısının tek-çiftliğini değiştirir.
\(3\mid n\) ise, başlangıçtaki karede her renkten tam olarak \(n^2/3\) taş bulunur. Dolayısıyla üç renge ait taş sayıları aynı tek-çiftliğe sahiptir ve bu durum her hamleden sonra korunur. Tek taştan oluşan bir yerleşimde renklere ait taş sayıları bir sırayla \(1,0,0\)'dır ve bunların tek-çiftlikleri aynı değildir. Bu nedenle \(3\mid n\) durumu mümkün değildir.
Şimdi diğer tüm \(n\) değerleri için çözümler oluşturacağız.
Üç taş kaldırma işlemi. \(e,f\) birbirine dik birim kafes vektörleri olsun. Şu karelerin dolu olduğunu varsayalım: \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] ve \(C=A-f\) boş olsun. Şu üç atlamayı yapalım: \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] Bu hamleler kurallara uygundur: üzerinden atlanan kareler sırasıyla \(A,A+e,A\)'dır. Sonunda, \(A,A+e,A+2e\)'deki üç taş kaldırılmış ve \(B\)'deki destek taşı başlangıçtaki yerine dönmüş olur. Diğer tüm kareler değişmeden kalır.
Bir şeridin kaldırılması. \(h\ge3\) olsun ve \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] karelerinin tümü ile \((3,0)\) karesi dolu olsun. \((0,h)\) ve \((-1,0)\) karelerinin boş olduğunu varsayalım. Diğer tüm taşları değiştirmeden \(3\) çarpı \(h\)'lik şeridin tamamını kaldırabiliriz.
Gerçekten de, \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] için \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] yatay üçlüsünü, \((0,y-1)\) destek taşını ve \((0,y+1)\) boş karesini kullanarak kaldıralım. Bu boş kare, ya başlangıçta boş olan \((0,h)\) karesidir ya da bir önceki adımda boşaltılmış bir karedir.
Geriye \(3\) çarpı \(3\)'lük bir blok kalır. Sırayla \(x=0,1,2\) için \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] düşey üçlüsünü, \((x+1,0)\) destek taşını ve \((x-1,0)\) boş karesini kullanarak kaldıralım. Yine, gereken boş kare ya başlangıçta boştur ya da daha önce boşaltılmıştır. Son destek taşı \((3,0)\)'dır ve bu taş korunur.
Şimdi, tamamen dolu \(N\) çarpı \(N\)'lik \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6 \] karesiyle başlayalım. Son destek taşı olarak \((3,0)\)'ı kullanıp bu yöntemle en soldaki üç sütunu kaldıralım. Ardından, kalan dikdörtgenin en alttaki üç satırını kaldırmak için yöntemin döndürülmüş hâlini kullanalım. Bu ikinci şeridin uzunluğu \(N-3\ge3\), son destek taşı \((3,3)\) ve gereken dış boş kareleri \((N,0)\) ile \((3,-1)\)'dir.
Geriye kalan yerleşim tam olarak \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] yani kenarı \(N-3\) olan tamamen dolu bir karedir ve başka hiçbir yerde taş yoktur.
Sonuç olarak, \(3\nmid n\) için \(n=1,2,4,5\) durumlarını çözmek yeterlidir.
\(n=1\) için zaten tek taş vardır. \(n=2\) için, \(\{0,1\}^2\) ile başlayıp şu atlamaları yapalım: \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] Yalnızca \((2,2)\)'deki taş kalır.
\(n=4\) ve \(n=5\) için aşağıdaki şemalar, üç taş kaldırma işlemini kullanarak tam çözümler verir. Gösterilen her kare başlangıçta bir taş içerir. Önce \(1\) ile işaretlenmiş üç kareyi, sonra \(2\) ile işaretlenmiş olanları ve bu şekilde devam ederek diğerlerini kaldıralım. Bir üçlünün ucundaki ok, o üçlünün destek taşına doğru yönelir; okun gösterdiği yönün tam tersindeki bitişik kare, gereken boş karedir. Yıldız, geriye kalan taşı gösterir.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
İşlemlerin kurallara uygunluğunu doğrulamak için her etiketin art arda gelen üç karede bulunduğuna dikkat edelim. Her ok, daha büyük bir etiket veya yıldız taşıyan bir kareyi gösterir; dolayısıyla destek taşı hâlâ yerindedir. Okun ters yönündeki kare, ya gösterilen karenin dışında yer alır ya da daha küçük bir etiket taşır; dolayısıyla boştur. Böylece belirtilen her kaldırma işlemi kurallara uygundur ve her şemada yalnızca yıldızlı taş kalır.
Böylece istenen belirleme kanıtlanmış olur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1993 · Problema 3
En un tablero de ajedrez infinito se juega de la siguiente manera. Al principio, se colocan \(n^2\) fichas en el tablero formando un bloque de \(n\) por \(n\) casillas contiguas, con una ficha en cada casilla. Una jugada consiste en saltar en dirección horizontal o vertical sobre una casilla adyacente ocupada hasta la casilla desocupada situada inmediatamente después. Se retira la ficha sobre la que se ha saltado.
Hallar los valores de \(n\) para los cuales el juego puede terminar con una sola ficha en el tablero.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{\text{Todos los enteros positivos }n\text{ no divisibles por }3.} \]
Solución
Identifiquemos las casillas con los puntos \((x,y)\in\mathbb Z^2\).
Primero, coloreemos cada casilla según el resto de \(x+y\) módulo \(3\). En cada salto interviene exactamente una casilla de cada color: dos casillas ocupadas quedan vacías y una casilla vacía pasa a estar ocupada. Por tanto, cada jugada cambia la paridad de las tres cantidades de fichas de cada color.
Si \(3\mid n\), el cuadrado inicial contiene exactamente \(n^2/3\) fichas de cada color. Por tanto, las tres cantidades de fichas de cada color tienen la misma paridad, y esto sigue siendo cierto después de cada jugada. Una configuración con una sola ficha tiene cantidades de fichas de cada color iguales a \(1,0,0\) en algún orden, cuyas paridades no son todas iguales. Por tanto, \(3\mid n\) es imposible.
A continuación construiremos soluciones para todos los demás valores de \(n\).
Una operación para retirar tres fichas. Sean \(e,f\) vectores unitarios perpendiculares de la retícula. Supongamos que las casillas \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] están ocupadas, mientras que \(C=A-f\) está vacía. Realicemos los tres saltos \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] Estos saltos son legales: las casillas sobre las que se salta son, respectivamente, \(A,A+e,A\). Al terminar, las tres fichas situadas en \(A,A+e,A+2e\) han desaparecido, y la ficha de apoyo situada en \(B\) ha vuelto a su posición original. Todas las demás casillas permanecen sin cambios.
Retirar una franja. Supongamos que \(h\ge3\), que todas las casillas \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] están ocupadas y que \((3,0)\) también está ocupada. Supongamos que \((0,h)\) y \((-1,0)\) están vacías. Podemos retirar toda la franja de \(3\) por \(h\) dejando todas las demás fichas sin cambios.
En efecto, para \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] retiremos la terna horizontal \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] usando la ficha de apoyo \((0,y-1)\) y la casilla vacía \((0,y+1)\). Esta última es la casilla \((0,h)\), inicialmente vacía, o una casilla que ha quedado vacía en el paso anterior.
Queda un bloque de \(3\) por \(3\). Para \(x=0,1,2\), en ese orden, retiremos la terna vertical \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] usando la ficha de apoyo \((x+1,0)\) y la casilla vacía \((x-1,0)\). De nuevo, la casilla vacía necesaria estaba vacía inicialmente o ya ha quedado vacía. La última ficha de apoyo es \((3,0)\), que se conserva.
Partamos ahora de un cuadrado de \(N\) por \(N\) completamente ocupado \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] Retiremos sus tres columnas de la izquierda mediante este procedimiento, usando \((3,0)\) como última ficha de apoyo. A continuación, usemos el procedimiento girado para retirar las tres filas inferiores del rectángulo restante. Esta segunda franja tiene longitud \(N-3\ge3\), su última ficha de apoyo es \((3,3)\) y las casillas exteriores vacías que necesita son \((N,0)\) y \((3,-1)\).
La configuración restante es exactamente \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] un cuadrado de lado \(N-3\) completamente ocupado, sin fichas en ninguna otra parte.
En consecuencia, para \(3\nmid n\), basta resolver los cuatro casos \(n=1,2,4,5\).
Para \(n=1\), ya hay una sola ficha. Para \(n=2\), partiendo de \(\{0,1\}^2\), realicemos los saltos \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] Solo queda la ficha situada en \((2,2)\).
Para \(n=4\) y \(n=5\), los siguientes diagramas dan construcciones completas mediante la operación de retirar tres fichas. Cada casilla representada contiene inicialmente una ficha. Retiremos las tres casillas marcadas con \(1\), luego las marcadas con \(2\), y así sucesivamente. Una flecha en un extremo de una terna apunta hacia su ficha de apoyo; la casilla inmediatamente opuesta a esa flecha es la casilla vacía necesaria. El asterisco señala la ficha que queda.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
Para verificar que las operaciones son legales, observemos que cada número aparece en tres casillas consecutivas. Cada flecha apunta a una casilla que lleva un número mayor o un asterisco, por lo que su ficha de apoyo sigue presente. La casilla opuesta a la flecha está fuera del cuadrado representado o lleva un número menor, por lo que está vacía. Así, todas las operaciones indicadas son legales y cada diagrama se reduce a la única ficha marcada con un asterisco.
Esto demuestra la caracterización enunciada.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1993 · 问题 3
在一个无限大的棋盘上进行如下游戏。开始时,\(n^2\) 枚棋子排列在棋盘上一个由相邻方格组成的 \(n\) 行 \(n\) 列的方阵中,每格一枚棋子。游戏的每一步是让一枚棋子沿水平或竖直方向,跳过相邻的一个有棋子的方格,落到紧接其后的一个空格上。被跳过的棋子随即移去。
求所有能使游戏结束时棋盘上只剩一枚棋子的 \(n\) 值。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{\text{所有正整数 }n\text{,要求其不能被以下数整除:}3.} \]
解答
将各方格与点 \((x,y)\in\mathbb Z^2\) 对应。
首先,按照 \(x+y\) 模 \(3\) 的余数给各方格染色。每次跳跃恰好涉及每种颜色的一个方格:两个有棋子的方格变空,而一个空格变为有棋子的方格。因此,每一步都会改变三种颜色的棋子数的奇偶性。
若 \(3\mid n\),则初始方阵中每种颜色的棋子都恰有 \(n^2/3\) 枚。因此,三种颜色的棋子数具有相同的奇偶性,并且每一步之后仍然如此。只含一枚棋子的局面中,三种颜色的棋子数按某种顺序为 \(1,0,0\),它们的奇偶性并不全相同。因此,\(3\mid n\) 时不可能达到目标。
下面对其余所有 \(n\) 构造解法。
移除三枚棋子的操作。 设 \(e,f\) 是互相垂直的单位格点向量。假设方格 \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] 上均有棋子,而 \(C=A-f\) 为空格。依次作如下三次跳跃: \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] 这些跳跃都是合法的:它们所跳过的方格依次为 \(A,A+e,A\)。最后,位于 \(A,A+e,A+2e\) 的三枚棋子被移除,位于 \(B\) 的辅助棋子则回到原位。其余各格均保持不变。
移除一个条带。 假设 \(h\ge3\),所有方格 \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] 上均有棋子,且 \((3,0)\) 上也有棋子。假设 \((0,h)\) 和 \((-1,0)\) 为空格。我们可以移除整个 \(3\) 列 \(h\) 行的条带中的棋子,同时保持其余每枚棋子不变。
事实上,对于 \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] 依次利用辅助棋子 \((0,y-1)\) 和空格 \((0,y+1)\),移除水平排列的三枚棋子 \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] 。其中的空格要么是初始空格 \((0,h)\),要么是上一步已清空的方格。
此时剩下一个 \(3\) 行 \(3\) 列的方阵。按 \(x=0,1,2\) 的顺序,利用辅助棋子 \((x+1,0)\) 和空格 \((x-1,0)\),移除竖直排列的三枚棋子 \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] 。同样,所需的空格要么最初就是空的,要么已经被清空。最后使用的辅助棋子是 \((3,0)\),它得以保留。
现在从一个排满棋子的 \(N\) 行 \(N\) 列方阵开始: \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] 用上述方法移除最左边三列的棋子,以 \((3,0)\) 为最后使用的辅助棋子。然后将上述操作旋转,移除剩余矩形最下面三行的棋子。第二个条带的长度为 \(N-3\ge3\),最后使用的辅助棋子是 \((3,3)\),所需的外部空格是 \((N,0)\) 和 \((3,-1)\)。
剩余的局面恰为 \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] 即一个边长为 \(N-3\) 的满方阵,其他地方没有棋子。
因此,对于 \(3\nmid n\),只需解决 \(n=1,2,4,5\) 这四种情形。
当 \(n=1\) 时,已经只有一枚棋子。当 \(n=2\) 时,从 \(\{0,1\}^2\) 出发,作如下跳跃: \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] 最后只剩下 \((2,2)\) 处的棋子。
对于 \(n=4\) 和 \(n=5\),下图给出了利用移除三枚棋子操作的完整构造。图中每个方格最初都有一枚棋子。先移除标有 \(1\) 的三个方格中的棋子,再移除标有 \(2\) 的三个方格中的棋子,依此类推。每组三格的一个端点处的箭头指向其辅助棋子;紧邻该端点、与箭头方向相反的方格就是所需的空格。星号标出最后保留的棋子。
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
为验证操作的合法性,注意每个标号都出现在三个连续的方格上。每个箭头都指向标号更大或标有星号的方格,因此其辅助棋子仍然存在。箭头反方向的方格要么位于图示方阵之外,要么标有更小的标号,因此它是空格。于是,图中指定的每次移除操作都是合法的,并且每个方阵最终都只剩下标有星号的那枚棋子。
这就证明了所述的充要条件。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1993 · Задача 3
На бесконечной шахматной доске играют в следующую игру. Вначале \(n^2\) фишек расположены на доске в квадрате из \(n\) на \(n\) соседних клеток, по одной фишке в каждой клетке. Ход состоит в прыжке фишки по горизонтали или вертикали через соседнюю занятую клетку на свободную клетку непосредственно за ней. Фишка, через которую перепрыгнули, снимается с доски.
Найдите все значения \(n\), при которых игра может закончиться так, что на доске останется ровно одна фишка.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{\text{Все положительные целые числа }n\text{, не делящиеся на }3.} \]
Решение
Отождествим клетки с точками \((x,y)\in\mathbb Z^2\).
Сначала раскрасим каждую клетку в зависимости от остатка от деления \(x+y\) на \(3\). В каждом прыжке участвует ровно одна клетка каждого цвета: две занятые клетки становятся свободными, а одна свободная — занятой. Таким образом, каждый ход меняет чётность числа фишек каждого из трёх цветов.
Если \(3\mid n\), то в исходном квадрате находится ровно \(n^2/3\) фишек каждого цвета. Поэтому числа фишек трёх цветов имеют одинаковую чётность, и это свойство сохраняется после каждого хода. В конфигурации из одной фишки числа фишек разных цветов равны \(1,0,0\) в некотором порядке, и их чётности не все одинаковы. Следовательно, при \(3\mid n\) требуемый результат невозможен.
Теперь построим решения для всех остальных \(n\).
Операция удаления трёх фишек. Пусть \(e,f\) — перпендикулярные единичные векторы решётки. Предположим, что клетки \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] заняты, а клетка \(C=A-f\) свободна. Выполним три прыжка \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] Все они допустимы: клетки, через которые совершаются прыжки, — соответственно \(A,A+e,A\). В результате три фишки в клетках \(A,A+e,A+2e\) исчезают, а вспомогательная фишка в клетке \(B\) возвращается на своё исходное место. Состояние всех остальных клеток не меняется.
Удаление полосы. Пусть \(h\ge3\), все клетки \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] заняты и клетка \((3,0)\) также занята. Предположим, что клетки \((0,h)\) и \((-1,0)\) свободны. Мы можем удалить всю полосу размером \(3\) на \(h\), оставив все остальные фишки на своих местах.
Действительно, для \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] удалим горизонтальную тройку \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] с помощью вспомогательной фишки \((0,y-1)\) и свободной клетки \((0,y+1)\). Последняя — либо изначально свободная клетка \((0,h)\), либо клетка, освобождённая на предыдущем шаге.
Остаётся квадрат размером \(3\) на \(3\). Для \(x=0,1,2\), именно в таком порядке, удалим вертикальную тройку \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] с помощью вспомогательной фишки \((x+1,0)\) и свободной клетки \((x-1,0)\). И здесь нужная свободная клетка либо была свободна изначально, либо уже освобождена. Последняя вспомогательная фишка находится в клетке \((3,0)\) и сохраняется.
Теперь начнём с полностью занятого квадрата размером \(N\) на \(N\) \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] Удалим три его крайних левых столбца описанным способом, используя \((3,0)\) в качестве последней вспомогательной фишки. Затем применим тот же способ с поворотом, чтобы удалить три нижних ряда оставшегося прямоугольника. Длина этой второй полосы равна \(N-3\ge3\), её последняя вспомогательная фишка находится в клетке \((3,3)\), а необходимые внешние свободные клетки — \((N,0)\) и \((3,-1)\).
Оставшаяся конфигурация — в точности \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] полностью занятый квадрат со стороной \(N-3\), вне которого фишек нет.
Следовательно, при \(3\nmid n\) достаточно решить четыре случая \(n=1,2,4,5\).
При \(n=1\) уже имеется ровно одна фишка. При \(n=2\), начав с \(\{0,1\}^2\), выполним прыжки \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] Останется только фишка в клетке \((2,2)\).
Для \(n=4\) и \(n=5\) следующие схемы задают полные построения с использованием операции удаления трёх фишек. Каждая изображённая клетка изначально содержит фишку. Удалим три клетки с меткой \(1\), затем клетки с меткой \(2\) и так далее. Стрелка у конца тройки указывает на вспомогательную фишку; соседняя клетка в направлении, противоположном стрелке, — это необходимая свободная клетка. Звёздочкой отмечена фишка, которая останется.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
Чтобы проверить допустимость операций, заметим, что каждая метка стоит на трёх последовательных клетках. Каждая стрелка указывает на клетку с большей меткой или со звёздочкой, поэтому вспомогательная фишка ещё находится на месте. Клетка в направлении, противоположном стрелке, лежит вне изображённого квадрата или имеет меньшую метку, поэтому она свободна. Таким образом, каждое указанное удаление допустимо, и каждая схема сводится к единственной фишке, отмеченной звёздочкой.
Тем самым доказано заявленное описание всех подходящих значений.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1993 · المسألة 3
تُلعَب لعبة على رقعة شطرنج غير منتهية على النحو الآتي. في البداية، تُرتَّب \(n^2\) قطعة على الرقعة في كتلة من المربعات المتجاورة أبعادها \(n\) في \(n\)، بواقع قطعة واحدة في كل مربع. تتكون الحركة في اللعبة من قفزة أفقية أو رأسية فوق مربع مجاور مشغول إلى مربع خالٍ يليه مباشرة. وتُزال القطعة التي جرى القفز فوقها.
أوجد قيم \(n\) التي يمكن أن تنتهي اللعبة عندها ببقاء قطعة واحدة فقط على الرقعة.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{\text{جميع الأعداد الصحيحة الموجبة }n\text{ التي لا تقبل القسمة على }3.} \]
الحل
لنطابق المربعات مع النقاط \((x,y)\in\mathbb Z^2\).
أولًا، نلوّن كل مربع بحسب باقي \(x+y\) بترديد \(3\). تشمل كل قفزة مربعًا واحدًا بالضبط من كل لون: يصبح مربعان مشغولان خاليين، ويصبح مربع خالٍ مشغولًا. لذا تعكس كل حركة زوجية أعداد القطع من الألوان الثلاثة جميعها.
إذا كان \(3\mid n\)، فإن المربع الابتدائي يحتوي بالضبط على \(n^2/3\) قطعة من كل لون. ولذلك تتفق أعداد القطع من الألوان الثلاثة في الزوجية، ويظل هذا صحيحًا بعد كل حركة. أما الوضع المؤلف من قطعة واحدة، فتكون أعداد القطع فيه بحسب الألوان \(1,0,0\) بترتيب ما، وهي لا تتفق جميعها في الزوجية. ومن ثم فإن \(3\mid n\) مستحيل.
سننشئ الآن حلولًا لجميع قيم \(n\) الأخرى.
عملية إزالة ثلاث قطع. ليكن \(e,f\) متجهي وحدة متعامدين في الشبكة. افترض أن المربعات \[ A,\quad A+e,\quad A+2e,\quad B=A+f \] مشغولة، في حين أن \(C=A-f\) خالٍ. ننفذ القفزات الثلاث \[ B\longrightarrow C,\qquad A+2e\longrightarrow A,\qquad C\longrightarrow B. \] هذه القفزات مسموحة: فالمربعات التي يجري القفز فوقها هي، على الترتيب، \(A,A+e,A\). وفي النهاية، تكون القطع الثلاث في \(A,A+e,A+2e\) قد اختفت، وتكون القطعة المساندة في \(B\) قد عادت إلى موضعها الأصلي. ويظل كل مربع آخر دون تغيير.
إزالة شريط. افترض أن \(h\ge3\)، وأن جميع المربعات \[ (x,y),\qquad 0\le x\le2,\quad 0\le y\le h-1, \] مشغولة، وأن \((3,0)\) مشغول أيضًا. وافترض أن \((0,h)\) و\((-1,0)\) خاليان. يمكننا إزالة الشريط كله، ذي الأبعاد \(3\) في \(h\)، مع إبقاء كل قطعة أخرى دون تغيير.
فبالفعل، من أجل \[ y=h-1,h-2,\ldots,3, \] نزيل الثلاثية الأفقية \[ (0,y),(1,y),(2,y) \] باستخدام القطعة المساندة \((0,y-1)\) والمربع الخالي \((0,y+1)\). وهذا الأخير إما المربع الخالي منذ البداية \((0,h)\)، وإما مربع أُخلي في الخطوة السابقة.
تبقى كتلة أبعادها \(3\) في \(3\). ومن أجل \(x=0,1,2\)، بهذا الترتيب، نزيل الثلاثية الرأسية \[ (x,0),(x,1),(x,2) \] باستخدام القطعة المساندة \((x+1,0)\) والمربع الخالي \((x-1,0)\). ومرة أخرى، فإن المربع الخالي المطلوب إما خالٍ منذ البداية وإما قد أُخلي من قبل. والقطعة المساندة الأخيرة هي \((3,0)\)، وهي تبقى محفوظة.
لنبدأ الآن بمربع ممتلئ أبعاده \(N\) في \(N\) \[ \{0,1,\ldots,N-1\}^2,\qquad N\ge6. \] نزيل أعمدته الثلاثة الواقعة في أقصى اليسار بهذه الطريقة، مستخدمين \((3,0)\) بوصفها القطعة المساندة الأخيرة. ثم نستخدم الطريقة بعد تدويرها لإزالة الصفوف الثلاثة السفلية من المستطيل المتبقي. طول هذا الشريط الثاني هو \(N-3\ge3\)، وقطعته المساندة الأخيرة هي \((3,3)\)، والمربعان الخارجيان الخاليان اللازمان له هما \((N,0)\) و\((3,-1)\).
الوضع المتبقي هو بالضبط \[ \{3,4,\ldots,N-1\}^2, \] أي مربع ممتلئ طول ضلعه \(N-3\)، ولا توجد قطع في أي موضع آخر.
وبالتالي، عندما \(3\nmid n\)، يكفي حل الحالات الأربع \(n=1,2,4,5\).
عندما \(n=1\)، توجد قطعة واحدة بالفعل. وعندما \(n=2\)، نبدأ من \(\{0,1\}^2\) وننفذ القفزات \[ (0,0)\longrightarrow(2,0),\qquad (0,1)\longrightarrow(2,1),\qquad (2,0)\longrightarrow(2,2). \] لا تبقى إلا القطعة في \((2,2)\).
من أجل \(n=4\) و\(n=5\)، يعطي المخططان الآتيان إنشاءين كاملين باستخدام عملية إزالة ثلاث قطع. يحتوي كل مربع معروض على قطعة في البداية. نزيل المربعات الثلاثة الموسومة بالعدد \(1\)، ثم تلك الموسومة بالعدد \(2\)، وهكذا. يشير السهم عند أحد طرفي الثلاثية نحو قطعتها المساندة؛ والمربع الواقع مباشرة في الاتجاه المعاكس لذلك السهم هو المربع الخالي المطلوب. وتشير النجمة إلى القطعة التي تبقى.
\[ n=4:\quad \begin{array}{cccc} * & 3^{\downarrow} & 3 & 3\\ 5^{\uparrow} & 5 & 5 & 4^{\leftarrow}\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 4\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 4 \end{array} \qquad n=5:\quad \begin{array}{ccccc} 3 & 4 & 5^{\downarrow} & 5 & 5\\ 3 & 4 & 6^{\downarrow} & 6 & 6\\ 3^{\rightarrow} & 4^{\rightarrow} & * & 8^{\leftarrow} & 7\\ 2^{\uparrow} & 2 & 2 & 8 & 7\\ 1^{\uparrow} & 1 & 1 & 8 & 7^{\leftarrow} \end{array} \]
للتحقق من أن الحركات مسموحة، نلاحظ أن كل وسم يظهر على ثلاثة مربعات متتالية. يشير كل سهم إلى مربع يحمل وسمًا أكبر أو نجمة، لذا تظل قطعته المساندة موجودة. أما المربع الواقع في الاتجاه المعاكس للسهم، فيقع خارج المربع المعروض أو يحمل وسمًا أصغر، ولذلك يكون خاليًا. وهكذا تكون كل إزالة مبينة مسموحة، ويختزل كل مخطط إلى قطعته الوحيدة الموسومة بنجمة.
وهذا يثبت التوصيف المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).