IMO 1996 · Problem 1
We are given a positive integer \(r\) and a rectangular board \(ABCD\) with dimensions \(|AB| = 20, |BC| = 12\). The rectangle is divided into a grid of \(20 \times 12\) unit squares. The following moves are permitted on the board: one can move from one square to another only if the distance between the centers of the two squares is \(\sqrt{r}\). The task is to find a sequence of moves leading from the square with \(A\) as a vertex to the square with \(B\) as a vertex.
(a) Show that the task cannot be done if \(r\) is divisible by \(2\) or \(3\).
(b) Prove that the task is possible when \(r = 73\).
(c) Can the task be done when \(r = 97\)?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
(a) Impossible. (b) Possible. (c) No, the task is impossible when \(r=97\).
Solution
Label the squares by integer coordinates \((x,y)\), where \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] so that the starting and target squares are \((0,0)\) and \((19,0)\). A move with coordinate differences \((u,v)\) is permitted precisely when \[ u^2+v^2=r. \]
(a) Suppose first that \(2\mid r\). Since \(t^2\equiv t\pmod2\) for every integer \(t\), every move satisfies \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] Thus the parity of \(x+y\) is unchanged. Its values at the starting and target squares have opposite parity, so the task is impossible.
If \(3\mid r\), each of \(u^2,v^2\) is congruent to \(0\) or \(1\pmod3\). Their sum can be divisible by \(3\) only if both are divisible by \(3\). Hence \(3\mid u\) and \(3\mid v\). In particular, every reachable square has \(x\equiv0\pmod3\), whereas \(19\equiv1\pmod3\). Again the task is impossible.
(b) Since \(73=8^2+3^2\), the following is a valid route: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] Every listed square lies on the board, and every step changes the coordinates by absolute amounts \(3\) and \(8\), in some order. Thus every step has length \(\sqrt{73}\), proving possibility.
(c) First, the only possible absolute coordinate differences for a move of length \(\sqrt{97}\) are \(4\) and \(9\), in some order. Indeed, because \(97\) is odd, exactly one coordinate difference is even. Its absolute value must be \(0,2,4,6,\) or \(8\). The corresponding squares of the other coordinate difference are \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] respectively, and only \(81\) is a square.
Assign to each square the value \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2. \] We show that every permitted move preserves this value.
- If \(|u|=9\) and \(|v|=4\), then \(x\) changes by an odd integer, and \(\lfloor y/4\rfloor\) changes by \(1\) or \(-1\). Their sum therefore retains its parity.
- If \(|u|=4\) and \(|v|=9\), the smaller of the two row coordinates must belong to \(\{0,1,2\}\), and the larger to \(\{9,10,11\}\). Thus \(\lfloor y/4\rfloor\) changes between \(0\) and \(2\), while \(x\) changes by an even integer. Again the value is preserved.
However, \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] Consequently no sequence of permitted moves connects the two squares.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1996 · Aufgabe 1
Gegeben sind eine positive ganze Zahl \(r\) und ein rechteckiges Spielbrett \(ABCD\) mit den Abmessungen \(|AB| = 20, |BC| = 12\). Das Rechteck ist in ein Gitter aus \(20 \times 12\) Einheitsquadraten unterteilt. Auf dem Spielbrett sind folgende Züge erlaubt: Man darf genau dann von einem Feld zu einem anderen ziehen, wenn der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Felder \(\sqrt{r}\) beträgt. Gesucht ist eine Folge von Zügen, die von dem Feld mit dem Eckpunkt \(A\) zu dem Feld mit dem Eckpunkt \(B\) führt.
(a) Zeige, dass dies nicht möglich ist, wenn \(r\) durch \(2\) oder \(3\) teilbar ist.
(b) Beweise, dass dies für \(r = 73\) möglich ist.
(c) Ist dies für \(r = 97\) möglich?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
(a) Unmöglich. (b) Möglich. (c) Nein, für \(r=97\) ist dies unmöglich.
Lösung
Wir bezeichnen die Felder durch ganzzahlige Koordinaten \((x,y)\), wobei \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] sodass Start- und Zielfeld die Koordinaten \((0,0)\) und \((19,0)\) haben. Ein Zug mit den Koordinatendifferenzen \((u,v)\) ist genau dann erlaubt, wenn \[ u^2+v^2=r. \]
(a) Es gelte zunächst \(2\mid r\). Da \(t^2\equiv t\pmod2\) für jede ganze Zahl \(t\) gilt, erfüllt jeder Zug \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] Somit bleibt die Parität von \(x+y\) unverändert. Die Werte am Start- und am Zielfeld haben unterschiedliche Parität, also ist die Aufgabe unlösbar.
Gilt \(3\mid r\), so ist jede der Zahlen \(u^2,v^2\) kongruent zu \(0\) oder \(1\pmod3\). Ihre Summe kann nur dann durch \(3\) teilbar sein, wenn beide durch \(3\) teilbar sind. Daher gilt \(3\mid u\) und \(3\mid v\). Insbesondere gilt für jedes erreichbare Feld \(x\equiv0\pmod3\), während \(19\equiv1\pmod3\) ist. Wieder ist die Aufgabe unlösbar.
(b) Wegen \(73=8^2+3^2\) ist der folgende Weg zulässig: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] Jedes aufgeführte Feld liegt auf dem Spielbrett, und bei jedem Schritt ändern sich die Koordinaten dem Betrag nach um \(3\) und \(8\), in irgendeiner Reihenfolge. Somit hat jeder Schritt die Länge \(\sqrt{73}\), womit die Lösbarkeit bewiesen ist.
(c) Zunächst sind die einzig möglichen Beträge der Koordinatendifferenzen bei einem Zug der Länge \(\sqrt{97}\) die Zahlen \(4\) und \(9\), in irgendeiner Reihenfolge. Da \(97\) ungerade ist, ist nämlich genau eine Koordinatendifferenz gerade. Ihr Betrag muss \(0,2,4,6,\) oder \(8\) sein. Die zugehörigen Quadrate der anderen Koordinatendifferenz sind der Reihe nach \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] und davon ist nur \(81\) eine Quadratzahl.
Wir ordnen jedem Feld den Wert \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2 \] zu. Wir zeigen, dass jeder erlaubte Zug diesen Wert unverändert lässt.
- Gilt \(|u|=9\) und \(|v|=4\), so ändert sich \(x\) um eine ungerade ganze Zahl und \(\lfloor y/4\rfloor\) um \(1\) oder \(-1\). Die Parität ihrer Summe bleibt daher erhalten.
- Gilt \(|u|=4\) und \(|v|=9\), so muss die kleinere der beiden Zeilenkoordinaten zu \(\{0,1,2\}\) und die größere zu \(\{9,10,11\}\) gehören. Somit wechselt \(\lfloor y/4\rfloor\) zwischen \(0\) und \(2\), während sich \(x\) um eine gerade ganze Zahl ändert. Wieder bleibt der Wert erhalten.
Es gilt jedoch \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] Folglich verbindet keine Folge erlaubter Züge die beiden Felder.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1996 · Soru 1
Bir pozitif tam sayı \(r\) ve kenar uzunlukları \(|AB| = 20, |BC| = 12\) olan dikdörtgen biçiminde bir \(ABCD\) tahtası verilmiştir. Dikdörtgen, \(20 \times 12\) birim kareden oluşan bir ızgaraya bölünmüştür. Tahta üzerinde şu hamlelere izin verilmektedir: Bir kareden başka bir kareye ancak bu iki karenin merkezleri arasındaki uzaklık \(\sqrt{r}\) ise geçilebilir. Amaç, bir köşesi \(A\) olan kareden bir köşesi \(B\) olan kareye götüren bir hamle dizisi bulmaktır.
(a) \(r\), \(2\) veya \(3\) ile bölünüyorsa bunun yapılamayacağını gösteriniz.
(b) \(r = 73\) olduğunda bunun yapılabileceğini kanıtlayınız.
(c) \(r = 97\) olduğunda bu yapılabilir mi?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
(a) Olanaksızdır. (b) Olanaklıdır. (c) Hayır, \(r=97\) olduğunda olanaksızdır.
Çözüm
Kareleri \((x,y)\) tam sayı koordinatlarıyla gösterelim; burada \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] olsun ve başlangıç ile hedef kareleri \((0,0)\) ve \((19,0)\) olsun. Koordinat farkları \((u,v)\) olan bir hamleye ancak ve ancak \[ u^2+v^2=r \] olduğunda izin verilir.
(a) Önce \(2\mid r\) olduğunu varsayalım. Her \(t\) tam sayısı için \(t^2\equiv t\pmod2\) olduğundan, her hamle için \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2 \] olur. Dolayısıyla \(x+y\) toplamının tekliği veya çiftliği değişmez. Bu toplamın başlangıç ve hedef karelerindeki değerlerinden biri tek, diğeri çift olduğundan istenen geçiş olanaksızdır.
\(3\mid r\) ise \(u^2,v^2\) sayılarının her biri \(0\) veya \(1\pmod3\) ile denktir. Toplamları ancak her ikisi de \(3\) ile bölünüyorsa \(3\) ile bölünebilir. Bu nedenle \(3\mid u\) ve \(3\mid v\) olur. Özellikle, ulaşılabilen her kare için \(x\equiv0\pmod3\) iken \(19\equiv1\pmod3\) olur. Yine istenen geçiş olanaksızdır.
(b) \(73=8^2+3^2\) olduğundan aşağıdaki yol geçerlidir: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] Listelenen karelerin tümü tahta üzerindedir ve her adımda koordinatlardaki değişimlerin mutlak değerleri, sırası değişebilmek üzere, \(3\) ve \(8\) olur. Dolayısıyla her adımın uzunluğu \(\sqrt{73}\) olup bu da istenen geçişin olanaklı olduğunu kanıtlar.
(c) Öncelikle, uzunluğu \(\sqrt{97}\) olan bir hamlede koordinat farklarının mutlak değerleri, sırası değişebilmek üzere, yalnızca \(4\) ve \(9\) olabilir. Gerçekten de \(97\) tek olduğundan koordinat farklarından tam olarak biri çifttir. Bunun mutlak değeri \(0,2,4,6,\) veya \(8\) olmalıdır. Diğer koordinat farkının karesi, sırasıyla, \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] olur ve bunlardan yalnızca \(81\) bir tam karedir.
Her kareye \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2 \] değerini atayalım. İzin verilen her hamlenin bu değeri koruduğunu göstereceğiz.
- \(|u|=9\) ve \(|v|=4\) ise \(x\) tek bir tam sayı kadar, \(\lfloor y/4\rfloor\) ise \(1\) veya \(-1\) kadar değişir. Dolayısıyla toplamlarının tekliği veya çiftliği korunur.
- \(|u|=4\) ve \(|v|=9\) ise iki satır koordinatından küçük olanı \(\{0,1,2\}\), büyük olanı ise \(\{9,10,11\}\) kümesine ait olmalıdır. Dolayısıyla \(\lfloor y/4\rfloor\), \(0\) ile \(2\) arasında değişirken \(x\) çift bir tam sayı kadar değişir. Yine bu değer korunur.
Oysa \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1 \] olur. Sonuç olarak, izin verilen hamlelerden oluşan hiçbir dizi bu iki kareyi birbirine bağlamaz.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1996 · Problema 1
Se dan un entero positivo \(r\) y un tablero rectangular \(ABCD\) de dimensiones \(|AB| = 20, |BC| = 12\). El rectángulo está dividido en una cuadrícula de \(20 \times 12\) cuadrados de lado unidad. En el tablero se permiten los siguientes movimientos: solo se puede pasar de una casilla a otra si la distancia entre sus centros es \(\sqrt{r}\). Se trata de encontrar una sucesión de movimientos que lleve de la casilla que tiene a \(A\) como vértice a la casilla que tiene a \(B\) como vértice.
(a) Demostrar que esto no es posible si \(r\) es divisible por \(2\) o por \(3\).
(b) Demostrar que es posible cuando \(r = 73\).
(c) ¿Es posible cuando \(r = 97\)?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
(a) Imposible. (b) Posible. (c) No, es imposible cuando \(r=97\).
Solución
Identificamos las casillas mediante coordenadas enteras \((x,y)\), donde \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] de modo que las casillas de partida y de llegada sean \((0,0)\) y \((19,0)\). Un movimiento con diferencias de coordenadas \((u,v)\) está permitido exactamente cuando \[ u^2+v^2=r. \]
(a) Supongamos primero que \(2\mid r\). Como \(t^2\equiv t\pmod2\) para todo entero \(t\), cada movimiento satisface \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] Por tanto, la paridad de \(x+y\) no cambia. Sus valores en las casillas de partida y de llegada tienen paridades opuestas, por lo que el recorrido es imposible.
Si \(3\mid r\), cada uno de los números \(u^2,v^2\) es congruente con \(0\) o con \(1\pmod3\). Su suma solo puede ser divisible por \(3\) si ambos son divisibles por \(3\). Así pues, \(3\mid u\) y \(3\mid v\). En particular, toda casilla alcanzable satisface \(x\equiv0\pmod3\), mientras que \(19\equiv1\pmod3\). De nuevo, el recorrido es imposible.
(b) Como \(73=8^2+3^2\), el siguiente recorrido es válido: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] Todas las casillas indicadas están en el tablero, y en cada paso las coordenadas cambian en cantidades de valores absolutos \(3\) y \(8\), en algún orden. Por tanto, cada paso tiene longitud \(\sqrt{73}\), lo que demuestra que el recorrido es posible.
(c) En primer lugar, los únicos valores absolutos posibles de las diferencias de coordenadas para un movimiento de longitud \(\sqrt{97}\) son \(4\) y \(9\), en algún orden. En efecto, como \(97\) es impar, exactamente una de las diferencias de coordenadas es par. Su valor absoluto debe ser \(0,2,4,6,\) u \(8\). Los cuadrados correspondientes de la otra diferencia de coordenadas son \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] respectivamente, y solo \(81\) es un cuadrado.
Asignamos a cada casilla el valor \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2. \] Demostraremos que todo movimiento permitido conserva este valor.
- Si \(|u|=9\) y \(|v|=4\), entonces \(x\) cambia en un entero impar, y \(\lfloor y/4\rfloor\) cambia en \(1\) o en \(-1\). Por tanto, su suma conserva la paridad.
- Si \(|u|=4\) y \(|v|=9\), la menor de las dos coordenadas de fila debe pertenecer a \(\{0,1,2\}\), y la mayor a \(\{9,10,11\}\). Así, \(\lfloor y/4\rfloor\) pasa de \(0\) a \(2\) o viceversa, mientras que \(x\) cambia en un entero par. De nuevo, el valor se conserva.
Sin embargo, \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] Por consiguiente, ninguna sucesión de movimientos permitidos conecta las dos casillas.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1996 · 问题 1
给定一个正整数 \(r\) 和一块矩形棋盘 \(ABCD\),其边长为 \(|AB| = 20, |BC| = 12\)。该矩形被划分成 \(20 \times 12\) 个单位正方形组成的网格。在棋盘上允许进行如下移动:只有当两个方格中心之间的距离为 \(\sqrt{r}\) 时,才能从一个方格移动到另一个方格。任务是找出一系列移动,从以 \(A\) 为顶点的方格到达以 \(B\) 为顶点的方格。
(a) 证明:若 \(r\) 能被 \(2\) 或 \(3\) 整除,则无法完成该任务。
(b) 证明:当 \(r = 73\) 时,可以完成该任务。
(c) 当 \(r = 97\) 时,能否完成该任务?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
(a) 不可能。(b) 可以。(c) 不能,当 \(r=97\) 时无法完成该任务。
解答
用整数坐标 \((x,y)\) 标记各个方格,其中 \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] 使起始方格和目标方格分别为 \((0,0)\) 和 \((19,0)\)。坐标变化量为 \((u,v)\) 的一次移动被允许,当且仅当 \[ u^2+v^2=r. \]
(a) 首先假设 \(2\mid r\)。由于对每个整数 \(t\) 都有 \(t^2\equiv t\pmod2\),每次移动都满足 \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] 因此,\(x+y\) 的奇偶性保持不变。起始方格与目标方格处的这个值奇偶性相反,故无法完成该任务。
若 \(3\mid r\),则 \(u^2,v^2\) 中每一个都与 \(0\) 或 \(1\pmod3\) 同余。它们的和能被 \(3\) 整除,只有在二者都能被 \(3\) 整除时才有可能。因此 \(3\mid u\) 且 \(3\mid v\)。特别地,每个可以到达的方格都满足 \(x\equiv0\pmod3\),而 \(19\equiv1\pmod3\)。所以同样无法完成该任务。
(b) 由于 \(73=8^2+3^2\),以下是一条合法的路径: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] 所列的每个方格都在棋盘内,每一步的两个坐标变化量的绝对值分别为 \(3\) 和 \(8\),次序不限。因此每一步的长度都是 \(\sqrt{73}\),从而证明了任务可以完成。
(c) 首先,长度为 \(\sqrt{97}\) 的移动,其两个坐标变化量的绝对值只能是 \(4\) 和 \(9\),次序不限。事实上,由于 \(97\) 是奇数,恰有一个坐标变化量为偶数。其绝对值只能是 \(0,2,4,6,\) 或 \(8\)。另一个坐标变化量的平方相应地分别为 \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] 其中只有 \(81\) 是完全平方数。
给每个方格赋予值 \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2. \] 我们证明,每次允许的移动都保持这个值不变。
- 若 \(|u|=9\) 且 \(|v|=4\),则 \(x\) 的变化量是奇数,而 \(\lfloor y/4\rfloor\) 的变化量为 \(1\) 或 \(-1\)。因此,它们的和的奇偶性保持不变。
- 若 \(|u|=4\) 且 \(|v|=9\),则两个行坐标中较小的一个必属于 \(\{0,1,2\}\),较大的一个必属于 \(\{9,10,11\}\)。因此,\(\lfloor y/4\rfloor\) 在 \(0\) 与 \(2\) 之间变化,而 \(x\) 的变化量是偶数。这个值同样保持不变。
然而, \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] 因此,不存在一系列允许的移动能将这两个方格连接起来。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1996 · Задача 1
Даны положительное целое число \(r\) и прямоугольная доска \(ABCD\) с размерами \(|AB| = 20, |BC| = 12\). Прямоугольник разбит на сетку из \(20 \times 12\) единичных квадратов. На доске разрешены следующие ходы: из одной клетки можно перейти в другую только в том случае, если расстояние между центрами этих клеток равно \(\sqrt{r}\). Требуется найти последовательность ходов, ведущую из клетки, одной из вершин которой является \(A\), в клетку, одной из вершин которой является \(B\).
(a) Покажите, что выполнить это требование невозможно, если \(r\) делится на \(2\) или на \(3\).
(b) Докажите, что при \(r = 73\) это возможно.
(c) Можно ли выполнить это требование при \(r = 97\)?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
(a) Невозможно. (b) Возможно. (c) Нет, при \(r=97\) это невозможно.
Решение
Обозначим клетки целочисленными координатами \((x,y)\), где \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] так, чтобы начальная и конечная клетки имели координаты \((0,0)\) и \((19,0)\). Ход с приращениями координат \((u,v)\) разрешён тогда и только тогда, когда \[ u^2+v^2=r. \]
(a) Предположим сначала, что \(2\mid r\). Поскольку \(t^2\equiv t\pmod2\) для любого целого \(t\), для каждого хода выполняется \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] Таким образом, чётность \(x+y\) не меняется. Значения этой суммы в начальной и конечной клетках имеют разную чётность, поэтому требуемый переход невозможен.
Если \(3\mid r\), то каждое из чисел \(u^2,v^2\) сравнимо с \(0\) или \(1\pmod3\). Их сумма может делиться на \(3\) только в том случае, если оба числа делятся на \(3\). Следовательно, \(3\mid u\) и \(3\mid v\). В частности, для каждой достижимой клетки выполняется \(x\equiv0\pmod3\), тогда как \(19\equiv1\pmod3\). И в этом случае требуемый переход невозможен.
(b) Поскольку \(73=8^2+3^2\), следующий маршрут состоит из разрешённых ходов: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] Все перечисленные клетки находятся на доске, и при каждом ходе модули приращений координат равны \(3\) и \(8\) в некотором порядке. Таким образом, длина каждого хода равна \(\sqrt{73}\), что доказывает возможность требуемого перехода.
(c) Сначала заметим, что единственные возможные модули приращений координат при ходе длины \(\sqrt{97}\) равны \(4\) и \(9\) в некотором порядке. Действительно, поскольку \(97\) нечётно, ровно одно из приращений координат чётно. Его модуль должен быть равен \(0,2,4,6,\) или \(8\). Соответствующие квадраты другого приращения координат равны \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] и лишь \(81\) является квадратом целого числа.
Припишем каждой клетке значение \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2. \] Покажем, что каждый разрешённый ход сохраняет это значение.
- Если \(|u|=9\) и \(|v|=4\), то \(x\) изменяется на нечётное целое число, а \(\lfloor y/4\rfloor\) изменяется на \(1\) или \(-1\). Поэтому чётность их суммы сохраняется.
- Если \(|u|=4\) и \(|v|=9\), то меньшая из двух координат строк должна принадлежать \(\{0,1,2\}\), а большая — \(\{9,10,11\}\). Поэтому \(\lfloor y/4\rfloor\) меняется с \(0\) на \(2\) или обратно, а \(x\) изменяется на чётное целое число. И в этом случае значение сохраняется.
Однако \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] Следовательно, никакая последовательность разрешённых ходов не соединяет эти две клетки.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1996 · المسألة 1
لدينا عدد صحيح موجب \(r\) ولوح مستطيل \(ABCD\) أبعاده \(|AB| = 20, |BC| = 12\). قُسِّم المستطيل إلى شبكة من \(20 \times 12\) مربعًا طول ضلع كل منها وحدة واحدة. يُسمح بالحركات الآتية على اللوح: لا يجوز الانتقال من مربع إلى آخر إلا إذا كانت المسافة بين مركزي المربعين تساوي \(\sqrt{r}\). والمطلوب إيجاد سلسلة من الحركات تؤدي من المربع الذي أحد رؤوسه \(A\) إلى المربع الذي أحد رؤوسه \(B\).
(a) بيّن أن ذلك غير ممكن إذا كان \(r\) يقبل القسمة على \(2\) أو \(3\).
(b) أثبت أن ذلك ممكن عندما \(r = 73\).
(c) هل يمكن القيام بذلك عندما \(r = 97\)؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
(a) غير ممكن. (b) ممكن. (c) لا، ذلك غير ممكن عندما \(r=97\).
الحل
نعيّن للمربعات إحداثيات صحيحة \((x,y)\)، حيث \[ 0\le x\le19,\qquad 0\le y\le11, \] بحيث يكون مربعا البداية والهدف هما \((0,0)\) و\((19,0)\). وتكون الحركة التي فروق إحداثياتها \((u,v)\) مسموحة إذا وفقط إذا \[ u^2+v^2=r. \]
(a) لنفترض أولًا أن \(2\mid r\). بما أن \(t^2\equiv t\pmod2\) لكل عدد صحيح \(t\)، فإن كل حركة تحقق \[ u+v\equiv u^2+v^2\equiv0\pmod2. \] ومن ثم لا تتغير زوجية \(x+y\). وقيمتاه عند مربعي البداية والهدف مختلفتان في الزوجية، لذا يستحيل الوصول إلى الهدف.
إذا كان \(3\mid r\)، فإن كلًا من \(u^2,v^2\) يطابق \(0\) أو \(1\pmod3\). ولا يمكن أن يقبل مجموعهما القسمة على \(3\) إلا إذا كان كلاهما يقبل القسمة على \(3\). ومن ثم \(3\mid u\) و\(3\mid v\). وعلى وجه الخصوص، فإن كل مربع يمكن الوصول إليه يحقق \(x\equiv0\pmod3\)، بينما \(19\equiv1\pmod3\). وهنا أيضًا يستحيل الوصول إلى الهدف.
(b) بما أن \(73=8^2+3^2\)، فإن المسار الآتي جائز: \[ \begin{aligned} (0,0)&\to(3,8)\to(11,5)\to(3,2)\\ &\to(0,10)\to(8,7)\to(0,4)\to(8,1)\\ &\to(11,9)\to(3,6)\to(11,3)\to(19,0). \end{aligned} \] كل مربع مذكور يقع على اللوح، وكل خطوة تغيّر الإحداثيين بمقدارين مطلقين هما \(3\) و\(8\)، بأحد الترتيبين. لذا فإن طول كل خطوة هو \(\sqrt{73}\)، مما يثبت إمكان الوصول إلى الهدف.
(c) أولًا، القيمتان المطلقتان الوحيدتان الممكنتان لفرقي الإحداثيين في حركة طولها \(\sqrt{97}\) هما \(4\) و\(9\)، بأحد الترتيبين. وبالفعل، بما أن \(97\) فردي، فإن أحد فرقي الإحداثيين بالضبط زوجي. ويجب أن تكون قيمته المطلقة \(0,2,4,6,\) أو \(8\). وتكون مربعات فرق الإحداثي الآخر المقابلة هي \[ 97,\ 93,\ 81,\ 61,\ 33, \] على الترتيب، وليس منها مربع كامل سوى \(81\).
نُسنِد إلى كل مربع القيمة \[ C(x,y)=x+\left\lfloor\frac y4\right\rfloor\pmod2. \] نبيّن أن كل حركة مسموحة تحافظ على هذه القيمة.
- إذا كان \(|u|=9\) و\(|v|=4\)، فإن \(x\) يتغير بمقدار عدد صحيح فردي، ويتغير \(\lfloor y/4\rfloor\) بمقدار \(1\) أو \(-1\). ولذلك يحتفظ مجموعهما بزوجيته.
- إذا كان \(|u|=4\) و\(|v|=9\)، فلا بد أن ينتمي الأصغر من إحداثيي الصفين إلى \(\{0,1,2\}\)، والأكبر إلى \(\{9,10,11\}\). ومن ثم يتغير \(\lfloor y/4\rfloor\) بين \(0\) و\(2\)، بينما يتغير \(x\) بمقدار عدد صحيح زوجي. وهنا أيضًا تبقى القيمة محفوظة.
ولكن \[ C(0,0)=0,\qquad C(19,0)=1. \] وبالتالي لا توجد سلسلة من الحركات المسموحة تصل بين المربعين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).