IMO 1993 · Problem 6
There are \(n\) lamps \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) in a circle \((n>1)\), where we denote \(L_{n+k}=L_k\). (A lamp at all times is either on or off.) Perform steps \(s_0,s_1,\ldots\) as follows: at step \(s_i\), if \(L_{i-1}\) is lit, switch \(L_i\) from on to off or vice versa, otherwise do nothing. Initially all lamps are on. Show that:
(a) There is a positive integer \(M(n)\) such that after \(M(n)\) steps all the lamps are on again;
(b) If \(n=2^k\), we can take \(M(n)=n^2-1\);
(c) If \(n=2^k+1\), we can take \(M(n)=n^2-n+1\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Represent an illuminated lamp by \(1\) and an extinguished lamp by \(0\), and perform all arithmetic modulo \(2\). The update rule then adds the state of \(L_{i-1}\) to the state of \(L_i\).
After \(t\) steps, immediately before step \(s_t\), record the states in the order \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] Since \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\), performing the next step and recording the states in the new order transforms the vector by \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}). \] Thus, writing \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\), the recorded vector after \(t\) steps is \(T^t\mathbf1\). All lamps are on exactly when this vector equals \(\mathbf1\).
The map \(T\) is linear and invertible, with \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] Here \(n>1\) ensures that all the indicated coordinates exist.
(a) There are only \(2^n\) possible vectors, so \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] for some integers \(0\le a<b\). Applying \(T^{-a}\) gives \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] Therefore \(M(n)=b-a>0\) has the required property.
To prove the stated values in (b) and (c), we first establish an identity for \(T\). Given any vector \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] extend its entries recursively by \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] The definition of \(T\) gives, by induction, \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] Consequently, applying the recurrence to each coordinate yields \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] Since \(v\) was arbitrary, \[ T^n=T^{n-1}+I, \] where \(I\) is the identity map. Set \(S=T^{-1}\). Multiplication by \(T^{-n}\) gives \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
We shall also use the identity \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] for linear maps over arithmetic modulo \(2\). Indeed, \((A+I)^2=A^2+I\), and repeated squaring proves the identity for every nonnegative integer \(k\).
(b) Suppose \(n=2^k\). Then \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] Since \(S\) is invertible, this implies \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{hence}\qquad T^{n^2-1}=I. \] In particular, \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\), proving that we may take \[ M(n)=n^2-1. \]
(c) Suppose \(n=2^k+1\), and put \(q=2^k=n-1\). Then \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] Multiplying by \(S\) and using \(q+1=n\), we obtain \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] Therefore \[ T^{nq+1}=I. \] As \(nq+1=n^2-n+1\), all lamps are on after this many steps. Thus we may take \[ M(n)=n^2-n+1. \] This calculation also covers \(k=0\), if allowed, when \(n=2\). All the displayed choices of \(M(n)\) are positive because \(n>1\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1993 · Aufgabe 6
Es sind \(n\) Lampen \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) im Kreis angeordnet \((n>1)\), wobei wir \(L_{n+k}=L_k\) setzen. (Jede Lampe ist zu jedem Zeitpunkt entweder an oder aus.) Führe die Schritte \(s_0,s_1,\ldots\) wie folgt aus: Wenn beim Schritt \(s_i\) die Lampe \(L_{i-1}\) leuchtet, schalte \(L_i\) von an auf aus oder umgekehrt; andernfalls tue nichts. Anfangs sind alle Lampen an. Zeige:
(a) Es gibt eine positive ganze Zahl \(M(n)\), sodass nach \(M(n)\) Schritten wieder alle Lampen an sind;
(b) Ist \(n=2^k\), so können wir \(M(n)=n^2-1\) wählen;
(c) Ist \(n=2^k+1\), so können wir \(M(n)=n^2-n+1\) wählen.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Stelle eine eingeschaltete Lampe durch \(1\) und eine ausgeschaltete Lampe durch \(0\) dar und führe alle Rechnungen modulo \(2\) aus. Die Aktualisierungsregel addiert dann den Zustand von \(L_{i-1}\) zum Zustand von \(L_i\).
Notiere nach \(t\) Schritten, unmittelbar vor dem Schritt \(s_t\), die Zustände in der Reihenfolge \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] Da \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\) ist, wird beim Ausführen des nächsten Schritts und Notieren der Zustände in der neuen Reihenfolge der Vektor durch \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}) \] transformiert. Schreiben wir also \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\), so ist der nach \(t\) Schritten notierte Vektor \(T^t\mathbf1\). Genau dann sind alle Lampen an, wenn dieser Vektor gleich \(\mathbf1\) ist.
Die Abbildung \(T\) ist linear und invertierbar, mit \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] Hier stellt \(n>1\) sicher, dass alle angegebenen Koordinaten existieren.
(a) Es gibt nur \(2^n\) mögliche Vektoren, also gilt \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] für gewisse ganze Zahlen \(0\le a<b\). Anwenden von \(T^{-a}\) ergibt \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] Daher hat \(M(n)=b-a>0\) die geforderte Eigenschaft.
Um die in (b) und (c) angegebenen Werte zu beweisen, leiten wir zunächst eine Identität für \(T\) her. Für einen beliebigen Vektor \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] setzen wir seine Einträge rekursiv fort durch \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] Aus der Definition von \(T\) folgt durch Induktion \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] Durch Anwenden der Rekursion auf jede Koordinate erhalten wir folglich \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] Da \(v\) beliebig war, gilt \[ T^n=T^{n-1}+I, \] wobei \(I\) die identische Abbildung ist. Setze \(S=T^{-1}\). Multiplikation mit \(T^{-n}\) ergibt \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
Wir werden auch die Identität \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] für lineare Abbildungen bei Rechnung modulo \(2\) verwenden. Tatsächlich gilt \((A+I)^2=A^2+I\), und wiederholtes Quadrieren beweist die Identität für jede nichtnegative ganze Zahl \(k\).
(b) Sei \(n=2^k\). Dann gilt \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] Da \(S\) invertierbar ist, folgt daraus \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{also}\qquad T^{n^2-1}=I. \] Insbesondere ist \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\), womit bewiesen ist, dass wir \[ M(n)=n^2-1 \] wählen können.
(c) Sei \(n=2^k+1\), und setze \(q=2^k=n-1\). Dann gilt \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] Durch Multiplikation mit \(S\) und unter Verwendung von \(q+1=n\) erhalten wir \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] Daher gilt \[ T^{nq+1}=I. \] Da \(nq+1=n^2-n+1\) ist, sind nach dieser Anzahl von Schritten alle Lampen an. Somit können wir \[ M(n)=n^2-n+1 \] wählen. Diese Rechnung erfasst auch \(k=0\), falls zugelassen; dann ist \(n=2\). Alle angegebenen Werte von \(M(n)\) sind positiv, da \(n>1\) ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1993 · Soru 6
Bir çember üzerinde \(n\) tane \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) lambası vardır \((n>1)\) ve \(L_{n+k}=L_k\) olarak gösterilmektedir. (Bir lamba her an ya yanar ya da sönüktür.) \(s_0,s_1,\ldots\) adımları şu şekilde uygulanır: \(s_i\) adımında, \(L_{i-1}\) yanıyorsa \(L_i\) yanar durumdan sönük duruma veya sönük durumdan yanar duruma geçirilir; aksi hâlde hiçbir şey yapılmaz. Başlangıçta tüm lambalar yanmaktadır. Aşağıdakileri gösteriniz:
(a) \(M(n)\) adım sonra tüm lambaların yeniden yanmasını sağlayan bir \(M(n)\) pozitif tam sayısı vardır;
(b) \(n=2^k\) ise \(M(n)=n^2-1\) alınabilir;
(c) \(n=2^k+1\) ise \(M(n)=n^2-n+1\) alınabilir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Yanan bir lambayı \(1\), sönük bir lambayı \(0\) ile gösterelim ve tüm işlemleri modül \(2\)'de yapalım. Bu durumda güncelleme kuralı, \(L_{i-1}\)'in durumunu \(L_i\)'nin durumuna ekler.
\(t\) adımdan sonra, \(s_t\) adımından hemen önce, durumları \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1} \] sırasıyla kaydedelim. \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\) olduğundan, bir sonraki adımı uygulayıp durumları yeni sırayla kaydetmek, vektörü \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}) \] dönüşümüyle değiştirir. Dolayısıyla \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\) yazarsak, \(t\) adımdan sonra kaydedilen vektör \(T^t\mathbf1\)'dir. Tüm lambaların yanması için gerek ve yeter koşul, bu vektörün \(\mathbf1\)'e eşit olmasıdır.
\(T\) dönüşümü doğrusaldır ve tersinirdir; tersi \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}) \] ile verilir. Burada \(n>1\) koşulu, belirtilen tüm koordinatların var olmasını sağlar.
(a) Yalnızca \(2^n\) olası vektör vardır; dolayısıyla \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] eşitliği bazı \(0\le a<b\) tam sayıları için sağlanır. \(T^{-a}\) uygulanırsa \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1 \] elde edilir. O hâlde \(M(n)=b-a>0\) istenen özelliğe sahiptir.
(b) ve (c)'de belirtilen değerleri kanıtlamak için önce \(T\) ile ilgili bir özdeşlik elde edelim. Herhangi bir \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] vektörü verildiğinde, bileşenlerini \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0) \] bağıntısıyla özyinelemeli olarak devam ettirelim. \(T\)'nin tanımından tümevarımla \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}) \] elde edilir. Dolayısıyla yineleme bağıntısını her koordinata uygulayarak \[ T^n v=T^{n-1}v+v \] elde ederiz. \(v\) keyfî olduğundan, \[ T^n=T^{n-1}+I, \] burada \(I\) birim dönüşümdür. \(S=T^{-1}\) olsun. \(T^{-n}\) ile çarparak \[ \boxed{S^n=S+I} \] elde ederiz.
Ayrıca, modül \(2\)'de aritmetik ile ele alınan doğrusal dönüşümler için \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] özdeşliğini kullanacağız. Gerçekten de, \((A+I)^2=A^2+I\) olur ve art arda kare almak, özdeşliği negatif olmayan her \(k\) tam sayısı için kanıtlar.
(b) \(n=2^k\) olduğunu varsayalım. O hâlde \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] \(S\) tersinir olduğundan, buradan \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad T^{n^2-1}=I \] elde edilir. Özellikle, \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\) olduğundan, \[ M(n)=n^2-1 \] alınabileceği kanıtlanmış olur.
(c) \(n=2^k+1\) olduğunu varsayalım ve \(q=2^k=n-1\) olsun. O hâlde \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] \(S\) ile çarpıp \(q+1=n\) eşitliğini kullanarak \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I \] elde ederiz. Dolayısıyla \[ T^{nq+1}=I. \] \(nq+1=n^2-n+1\) olduğundan, bu kadar adım sonra tüm lambalar yanar. Böylece \[ M(n)=n^2-n+1 \] alabiliriz. Bu hesaplama, izin veriliyorsa, \(n=2\) olan \(k=0\) durumunu da kapsar. Gösterilen tüm \(M(n)\) seçimleri, \(n>1\) olduğundan pozitiftir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1993 · Problema 6
Hay \(n\) lámparas \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) dispuestas en círculo \((n>1)\), y usamos la notación \(L_{n+k}=L_k\). (En todo momento, cada lámpara está encendida o apagada.) Se realizan los pasos \(s_0,s_1,\ldots\) de la siguiente manera: en el paso \(s_i\), si \(L_{i-1}\) está encendida, se cambia el estado de \(L_i\) de encendida a apagada o viceversa; en caso contrario, no se hace nada. Inicialmente, todas las lámparas están encendidas. Demostrar que:
(a) Existe un entero positivo \(M(n)\) tal que, después de \(M(n)\) pasos, todas las lámparas vuelven a estar encendidas;
(b) Si \(n=2^k\), podemos tomar \(M(n)=n^2-1\);
(c) Si \(n=2^k+1\), podemos tomar \(M(n)=n^2-n+1\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Representemos una lámpara encendida por \(1\) y una lámpara apagada por \(0\), y realicemos todas las operaciones aritméticas módulo \(2\). La regla de actualización suma entonces el estado de \(L_{i-1}\) al estado de \(L_i\).
Después de \(t\) pasos, inmediatamente antes del paso \(s_t\), registremos los estados en el orden \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] Como \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\), al realizar el siguiente paso y registrar los estados en el nuevo orden, el vector se transforma mediante \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}). \] Así, escribiendo \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\), el vector registrado después de \(t\) pasos es \(T^t\mathbf1\). Todas las lámparas están encendidas exactamente cuando este vector es igual a \(\mathbf1\).
La aplicación \(T\) es lineal e invertible, con \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] Aquí, \(n>1\) garantiza que existen todas las coordenadas indicadas.
(a) Solo hay \(2^n\) vectores posibles, por lo que \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] para ciertos enteros \(0\le a<b\). Al aplicar \(T^{-a}\), obtenemos \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] Por tanto, \(M(n)=b-a>0\) tiene la propiedad requerida.
Para demostrar los valores indicados en (b) y (c), primero estableceremos una identidad para \(T\). Dado un vector cualquiera \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] prolonguemos sus componentes recursivamente mediante \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] La definición de \(T\) da, por inducción, \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] En consecuencia, al aplicar la recurrencia a cada coordenada, obtenemos \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] Como \(v\) era arbitrario, \[ T^n=T^{n-1}+I, \] donde \(I\) es la aplicación identidad. Sea \(S=T^{-1}\). Al multiplicar por \(T^{-n}\), obtenemos \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
También usaremos la identidad \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] para aplicaciones lineales con aritmética módulo \(2\). En efecto, \((A+I)^2=A^2+I\), y elevando sucesivamente al cuadrado se demuestra la identidad para todo entero no negativo \(k\).
(b) Supongamos que \(n=2^k\). Entonces \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] Como \(S\) es invertible, esto implica \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{por tanto}\qquad T^{n^2-1}=I. \] En particular, \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\), lo que demuestra que podemos tomar \[ M(n)=n^2-1. \]
(c) Supongamos que \(n=2^k+1\) y sea \(q=2^k=n-1\). Entonces \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] Multiplicando por \(S\) y usando \(q+1=n\), obtenemos \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] Por tanto, \[ T^{nq+1}=I. \] Como \(nq+1=n^2-n+1\), todas las lámparas están encendidas después de ese número de pasos. Así pues, podemos tomar \[ M(n)=n^2-n+1. \] Este cálculo también cubre \(k=0\), si se admite, en cuyo caso \(n=2\). Todos los valores indicados de \(M(n)\) son positivos porque \(n>1\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1993 · 问题 6
有 \(n\) 盏灯 \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) 排成一圈 \((n>1)\),约定 \(L_{n+k}=L_k\)。(每盏灯在任何时刻都处于亮或灭两种状态之一。)依次执行步骤 \(s_0,s_1,\ldots\),规则如下:在步骤 \(s_i\) 中,若 \(L_{i-1}\) 亮着,则将 \(L_i\) 从亮变为灭,或从灭变为亮;否则不作任何操作。初始时所有灯都亮着。证明:
(a) 存在正整数 \(M(n)\),使得经过 \(M(n)\) 步后,所有灯再次亮着;
(b) 若 \(n=2^k\),则可取 \(M(n)=n^2-1\);
(c) 若 \(n=2^k+1\),则可取 \(M(n)=n^2-n+1\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \(1\) 表示灯亮,用 \(0\) 表示灯灭,所有运算均在模 \(2\) 意义下进行。于是,更新规则就是将 \(L_{i-1}\) 的状态加到 \(L_i\) 的状态上。
经过 \(t\) 步后,即在执行步骤 \(s_t\) 之前,按如下顺序记录各灯的状态: \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] 由于 \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\),执行下一步并按新的顺序记录状态,相当于对向量施行变换 \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}). \] 因此,记 \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\),则经过 \(t\) 步后记录的向量为 \(T^t\mathbf1\)。所有灯都亮着,当且仅当该向量等于 \(\mathbf1\)。
映射 \(T\) 是可逆线性映射,其逆映射为 \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] 这里,\(n>1\) 保证所写出的各坐标均存在。
(a) 可能的向量只有 \(2^n\) 个,因此存在整数 \(0\le a<b\),使得 \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] 。两边作用 \(T^{-a}\),得 \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] 因此,\(M(n)=b-a>0\) 具有所要求的性质。
为证明 (b) 和 (c) 中给出的取值,我们先建立关于 \(T\) 的一个恒等式。给定任意向量 \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] 用递推关系 \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] 延拓其各项。由 \(T\) 的定义,通过归纳可得 \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] 因此,对每个坐标应用上述递推关系,得到 \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] 由于 \(v\) 是任意的, \[ T^n=T^{n-1}+I, \] 其中 \(I\) 为恒等映射。令 \(S=T^{-1}\)。乘以 \(T^{-n}\),得 \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
我们还将使用在模 \(2\) 运算下对线性映射成立的恒等式 \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] 。事实上, \((A+I)^2=A^2+I\),反复平方即可证明该恒等式对每个非负整数 \(k\) 都成立。
(b) 假设 \(n=2^k\)。则 \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] 由于 \(S\) 可逆,这意味着 \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{从而}\qquad T^{n^2-1}=I. \] 特别地,\(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\),这就证明了可以取 \[ M(n)=n^2-1. \]
(c) 假设 \(n=2^k+1\),并令 \(q=2^k=n-1\)。则 \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] 乘以 \(S\),并利用 \(q+1=n\),得到 \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] 因此 \[ T^{nq+1}=I. \] 由于 \(nq+1=n^2-n+1\),经过这么多步后,所有灯都亮着。因此可以取 \[ M(n)=n^2-n+1. \] 若允许 \(k=0\),上述计算也包含这一情形,此时 \(n=2\)。由于 \(n>1\),上述 \(M(n)\) 的所有取值均为正数。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1993 · Задача 6
По кругу расположены \(n\) ламп \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) \((n>1)\), причём обозначим \(L_{n+k}=L_k\). (В любой момент каждая лампа либо включена, либо выключена.) Выполняются шаги \(s_0,s_1,\ldots\) по следующему правилу: на шаге \(s_i\), если \(L_{i-1}\) горит, состояние \(L_i\) меняют с включённого на выключенное или наоборот; в противном случае ничего не делают. Изначально все лампы включены. Докажите, что:
(a) Существует положительное целое число \(M(n)\), такое, что после \(M(n)\) шагов все лампы снова будут включены;
(b) Если \(n=2^k\), то можно взять \(M(n)=n^2-1\);
(c) Если \(n=2^k+1\), то можно взять \(M(n)=n^2-n+1\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим включённую лампу через \(1\), а выключенную — через \(0\) и будем выполнять все арифметические действия по модулю \(2\). Тогда правило изменения состояния состоит в прибавлении состояния \(L_{i-1}\) к состоянию \(L_i\).
После \(t\) шагов, непосредственно перед шагом \(s_t\), запишем состояния в порядке \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] Поскольку \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\), выполнение следующего шага и запись состояний в новом порядке преобразуют вектор по правилу \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}). \] Таким образом, обозначив \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\), получаем, что записанный вектор после \(t\) шагов равен \(T^t\mathbf1\). Все лампы включены тогда и только тогда, когда этот вектор равен \(\mathbf1\).
Отображение \(T\) линейно и обратимо, причём \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] Здесь условие \(n>1\) гарантирует существование всех указанных координат.
(a) Существует всего \(2^n\) возможных векторов, поэтому \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] для некоторых целых чисел \(0\le a<b\). Применяя \(T^{-a}\), получаем \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] Следовательно, \(M(n)=b-a>0\) обладает требуемым свойством.
Чтобы доказать, что значения, указанные в (b) и (c), подходят, сначала установим тождество для \(T\). Для произвольного вектора \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] продолжим последовательность его координат рекуррентно по правилу \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] Из определения \(T\) по индукции получаем \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] Следовательно, применяя рекуррентное соотношение к каждой координате, получаем \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] Поскольку \(v\) был произвольным, \[ T^n=T^{n-1}+I, \] где \(I\) — тождественное отображение. Положим \(S=T^{-1}\). Умножение на \(T^{-n}\) даёт \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
Мы также будем использовать тождество \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] для линейных отображений при вычислениях по модулю \(2\). Действительно, \((A+I)^2=A^2+I\), и последовательное возведение в квадрат доказывает тождество для любого неотрицательного целого \(k\).
(b) Предположим, что \(n=2^k\). Тогда \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] Поскольку \(S\) обратимо, отсюда следует \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{следовательно}\qquad T^{n^2-1}=I. \] В частности, \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\), что доказывает возможность взять \[ M(n)=n^2-1. \]
(c) Предположим, что \(n=2^k+1\), и положим \(q=2^k=n-1\). Тогда \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] Умножая на \(S\) и используя \(q+1=n\), получаем \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] Следовательно, \[ T^{nq+1}=I. \] Так как \(nq+1=n^2-n+1\), после такого числа шагов все лампы включены. Таким образом, можно взять \[ M(n)=n^2-n+1. \] Это вычисление охватывает и случай \(k=0\), если он допускается, когда \(n=2\). Все указанные значения \(M(n)\) положительны, поскольку \(n>1\).
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1993 · المسألة 6
توجد \(n\) مصابيح \(L_0,\ldots,L_{n-1}\) مرتبة على دائرة \((n>1)\)، ونرمز بـ \(L_{n+k}=L_k\). (يكون كل مصباح في كل لحظة إما مضاءً وإما مطفأً.) ننفذ الخطوات \(s_0,s_1,\ldots\) على النحو الآتي: في الخطوة \(s_i\)، إذا كان \(L_{i-1}\) مضاءً، نبدّل حالة \(L_i\) من الإضاءة إلى الانطفاء أو بالعكس، وإلا فلا نفعل شيئًا. في البداية تكون جميع المصابيح مضاءة. أثبت ما يأتي:
(a) يوجد عدد صحيح موجب \(M(n)\) بحيث تكون جميع المصابيح مضاءة من جديد بعد \(M(n)\) خطوة؛
(b) إذا كان \(n=2^k\)، فيمكننا أخذ \(M(n)=n^2-1\)؛
(c) إذا كان \(n=2^k+1\)، فيمكننا أخذ \(M(n)=n^2-n+1\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نمثل المصباح المضاء بالعدد \(1\) والمصباح المطفأ بالعدد \(0\)، ونجري جميع العمليات الحسابية بترديد \(2\). عندئذ تضيف قاعدة التحديث حالة \(L_{i-1}\) إلى حالة \(L_i\).
بعد \(t\) خطوة، وقبيل الخطوة \(s_t\) مباشرة، نسجل الحالات بالترتيب \[ L_t,L_{t+1},\ldots,L_{t+n-1}. \] بما أن \(L_{t-1}=L_{t+n-1}\)، فإن تنفيذ الخطوة التالية وتسجيل الحالات بالترتيب الجديد يحوّلان المتجه وفقًا لـ \[ T(x_0,x_1,\ldots,x_{n-1}) =(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},x_0+x_{n-1}). \] وعليه، بكتابة \(\mathbf1=(1,\ldots,1)\)، يكون المتجه المسجل بعد \(t\) خطوة هو \(T^t\mathbf1\). وتكون جميع المصابيح مضاءة إذا وفقط إذا ساوى هذا المتجه \(\mathbf1\).
التطبيق \(T\) خطي وقابل للعكس، ومعكوسه هو \[ T^{-1}(y_0,\ldots,y_{n-1}) =(y_{n-1}+y_{n-2},y_0,\ldots,y_{n-2}). \] هنا يضمن الشرط \(n>1\) وجود جميع الإحداثيات المبينة.
(a) لا يوجد سوى \(2^n\) متجهًا ممكنًا، لذا \[ T^a\mathbf1=T^b\mathbf1 \] لبعض عددين صحيحين \(0\le a<b\). وبتطبيق \(T^{-a}\) نحصل على \[ T^{b-a}\mathbf1=\mathbf1. \] إذن \(M(n)=b-a>0\) يحقق الخاصية المطلوبة.
لإثبات القيم المذكورة في (b) و(c)، نثبت أولًا متطابقة تخص \(T\). لأي متجه معطى \[ v=(b_0,\ldots,b_{n-1}), \] نمدد مركباته تراجعيًا وفقًا لـ \[ b_{r+n}=b_{r+n-1}+b_r\qquad(r\ge0). \] يعطي تعريف \(T\)، بالاستقراء، \[ T^r v=(b_r,\ldots,b_{r+n-1}). \] وبالتالي، فإن تطبيق العلاقة التراجعية على كل إحداثي يعطي \[ T^n v=T^{n-1}v+v. \] وبما أن \(v\) كان اعتباطيًا، فإن \[ T^n=T^{n-1}+I, \] حيث \(I\) هو تطبيق الهوية. نضع \(S=T^{-1}\). وبالضرب في \(T^{-n}\) نحصل على \[ \boxed{S^n=S+I.} \]
سنستخدم أيضًا المتطابقة \[ (A+I)^{2^k}=A^{2^k}+I \] للتطبيقات الخطية عندما تُجرى العمليات الحسابية بترديد \(2\). فبالفعل، \((A+I)^2=A^2+I\)، ويثبت التربيع المتكرر المتطابقة لكل عدد صحيح غير سالب \(k\).
(b) لنفترض أن \(n=2^k\). عندئذ \[ S^{n^2}=(S^n)^n=(S+I)^n=S^n+I=(S+I)+I=S. \] بما أن \(S\) قابل للعكس، فإن هذا يستلزم \[ S^{n^2-1}=I, \qquad\text{ومن ثم}\qquad T^{n^2-1}=I. \] وعلى وجه الخصوص، \(T^{n^2-1}\mathbf1=\mathbf1\)، مما يثبت أنه يمكننا أخذ \[ M(n)=n^2-1. \]
(c) لنفترض أن \(n=2^k+1\)، ولنضع \(q=2^k=n-1\). عندئذ \[ S^{nq}=(S^n)^q=(S+I)^q=S^q+I. \] بالضرب في \(S\) واستخدام \(q+1=n\)، نحصل على \[ S^{nq+1}=S^{q+1}+S=S^n+S=(S+I)+S=I. \] ولذلك \[ T^{nq+1}=I. \] وبما أن \(nq+1=n^2-n+1\)، فإن جميع المصابيح تكون مضاءة بعد هذا العدد من الخطوات. لذا يمكننا أخذ \[ M(n)=n^2-n+1. \] يشمل هذا الحساب أيضًا \(k=0\)، إذا سُمح به، وعندئذ \(n=2\). وجميع الخيارات المعروضة لـ \(M(n)\) موجبة لأن \(n>1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).