IMO 1997 · Problem 1
In the plane the points with integer coordinates are the vertices of unit squares. The squares are colored alternately black and white (as on a chessboard).
For any pair of positive integers \(m\) and \(n\), consider a right-angled triangle whose vertices have integer coordinates and whose legs, of lengths \(m\) and \(n\), lie along edges of the squares.
Let \(S_1\) be the total area of the black part of the triangle and \(S_2\) be the total area of the white part. Let \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Calculate \(f(m,n)\) for all positive integers \(m\) and \(n\) which are either both even or both odd.
(b) Prove that \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) for all \(m\) and \(n\).
(c) Show that there is no constant \(C\) such that \(f(m,n)<C\) for all \(m\) and \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ both even},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ both odd}. \end{cases}} \]
The bound in (b) holds, and \(f\) is unbounded. In particular, \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
Solution
Integer translations and reflections in coordinate lines preserve the coloring or interchange the two colors. Thus they preserve the absolute area difference. We may therefore take our triangle to be \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] and assume that the unit square \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] is black precisely when \(i+j\) is even.
For any region \(A\), write \(D(A)\) for its black area minus its white area. This quantity is additive over regions with disjoint interiors, and \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\).
(a) Consider the rectangle \(R=[0,m]\times[0,n]\). The half-turn \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] interchanges its two triangles separated by the hypotenuse of \(T_{m,n}\). It sends \(Q_{i,j}\) to \(Q_{m-1-i,n-1-j}\), preserving its color whenever \(m+n\) is even.
Consequently, when \(m,n\) have the same parity, the two triangles have equal signed area differences, so \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] If both dimensions are even, the rectangle contains equal numbers of black and white squares, giving \(D(R)=0\). If both are odd, it contains one more black square than white square, giving \(D(R)=1\). Hence \[ f(m,n)=0\quad\text{or}\quad\frac12, \] respectively.
(b) Part (a) already proves the bound when \(m,n\) have the same parity. Otherwise, interchange the coordinates if necessary so that \(m\) is even.
Divide \(T_{m,n}\) into its intersections with the \(m\) vertical strips \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] On a vertical line inside strip \(i\), the triangle occupies a segment starting at \(y=0\). Along this segment, the colors alternate in unit lengths.
Pair consecutive unit lengths starting from the bottom. Each complete pair has equal black and white lengths. In the remaining segment, whose length is between \(0\) and \(2\), the excess of the bottom color is between \(0\) and \(1\): it increases from \(0\) to \(1\) through the first unit, then decreases to \(0\) through the second.
Thus, by taking areas of these vertical slices, the signed area difference \(d_i\) in strip \(i\) satisfies \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ even}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ odd}). \] There are \(m/2\) strips of each kind. Therefore \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] and hence \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) Let \(m\geq2\) be even. We calculate \(f(m,m-1)\).
The isosceles triangle \[ H=T_{m,m} \] has \(D(H)=0\) by part (a). Removing \(T_{m,m-1}\) from \(H\) leaves the triangle \(W\) with vertices \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] Its area is \(m/2\).
Every point of \(W\) satisfies \[ m-1\leq x+y\leq m. \] Consequently, apart from boundaries, the only unit squares meeting \(W\) have index sum \(m-2\) or \(m-1\). Since \(m\) is even, its black portions lie precisely in the squares \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
The lower boundary of \(W\) is \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] In \(Q_{i,m-2-i}\), the portion above this line is a right triangle at the square’s top-right corner. Intersecting the line with the top and right sides gives its horizontal and vertical leg lengths as \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{and}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] respectively. Thus the total black area \(B\) of \(W\) is \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] Therefore \[ D(W)=2B-\operatorname{area}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] Since \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\), we obtain \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] Taking \(m=2k\) and letting \(k\) tend to infinity proves that no constant \(C\) can bound all values of \(f(m,n)\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1997 · Aufgabe 1
In der Ebene bilden die Punkte mit ganzzahligen Koordinaten die Eckpunkte von Einheitsquadraten. Die Quadrate sind abwechselnd schwarz und weiß gefärbt (wie auf einem Schachbrett).
Für jedes Paar positiver ganzer Zahlen \(m\) und \(n\) betrachten wir ein rechtwinkliges Dreieck, dessen Eckpunkte ganzzahlige Koordinaten haben und dessen Katheten der Längen \(m\) und \(n\) entlang der Kanten der Quadrate verlaufen.
Es sei \(S_1\) der gesamte Flächeninhalt des schwarzen Teils des Dreiecks und \(S_2\) der gesamte Flächeninhalt des weißen Teils. Es sei \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Berechne \(f(m,n)\) für alle positiven ganzen Zahlen \(m\) und \(n\), die entweder beide gerade oder beide ungerade sind.
(b) Beweise, dass \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) für alle \(m\) und \(n\) gilt.
(c) Zeige, dass es keine Konstante \(C\) gibt, sodass \(f(m,n)<C\) für alle \(m\) und \(n\) gilt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ beide gerade},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ beide ungerade}. \end{cases}} \]
Die Schranke in (b) gilt, und \(f\) ist unbeschränkt. Insbesondere gilt \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
Lösung
Verschiebungen um ganzzahlige Vektoren und Spiegelungen an den Koordinatenachsen erhalten die Färbung oder vertauschen die beiden Farben. Daher erhalten sie den Betrag der Flächeninhaltsdifferenz. Wir dürfen unser Dreieck also als \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] wählen und annehmen, dass das Einheitsquadrat \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] genau dann schwarz ist, wenn \(i+j\) gerade ist.
Für ein beliebiges Gebiet \(A\) bezeichne \(D(A)\) seinen schwarzen Flächeninhalt abzüglich seines weißen Flächeninhalts. Diese Größe ist für Gebiete mit disjunkten Inneren additiv, und es gilt \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\).
(a) Betrachten wir das Rechteck \(R=[0,m]\times[0,n]\). Die Halbdrehung \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] vertauscht die beiden Dreiecke, in die es durch die Hypotenuse von \(T_{m,n}\) zerlegt wird. Sie bildet \(Q_{i,j}\) auf \(Q_{m-1-i,n-1-j}\) ab und erhält dabei dessen Farbe, sofern \(m+n\) gerade ist.
Wenn \(m,n\) dieselbe Parität haben, sind daher die vorzeichenbehafteten Flächeninhaltsdifferenzen der beiden Dreiecke gleich, also \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] Sind beide Seitenlängen gerade, so enthält das Rechteck gleich viele schwarze und weiße Quadrate, woraus \(D(R)=0\) folgt. Sind beide ungerade, so enthält es ein schwarzes Quadrat mehr als weiße Quadrate, woraus \(D(R)=1\) folgt. Somit gilt \[ f(m,n)=0\quad\text{oder}\quad\frac12, \] je nachdem, welcher der beiden Fälle vorliegt.
(b) Teil (a) beweist die Schranke bereits für den Fall, dass \(m,n\) dieselbe Parität haben. Andernfalls vertauschen wir nötigenfalls die Koordinaten, sodass \(m\) gerade ist.
Wir zerlegen \(T_{m,n}\) in seine Schnittmengen mit den \(m\) senkrechten Streifen \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] Auf einer senkrechten Geraden im Inneren des Streifens \(i\) nimmt das Dreieck eine Strecke ein, die bei \(y=0\) beginnt. Entlang dieser Strecke wechseln die Farben in Abschnitten der Länge eins.
Wir fassen von unten beginnend jeweils zwei aufeinanderfolgende Einheitsabschnitte zu einem Paar zusammen. Jedes vollständige Paar hat gleich große schwarze und weiße Längenanteile. Auf der verbleibenden Strecke, deren Länge zwischen \(0\) und \(2\) liegt, liegt der Überschuss der untersten Farbe zwischen \(0\) und \(1\): Er steigt im ersten Einheitsabschnitt von \(0\) auf \(1\) und fällt dann im zweiten auf \(0\).
Durch Flächenberechnung anhand dieser senkrechten Schnitte folgt somit für die vorzeichenbehaftete Flächeninhaltsdifferenz \(d_i\) im Streifen \(i\) \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ gerade}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ ungerade}). \] Von jeder Art gibt es \(m/2\) Streifen. Daher gilt \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] und somit \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) Sei \(m\geq2\) gerade. Wir berechnen \(f(m,m-1)\).
Für das gleichschenklige Dreieck \[ H=T_{m,m} \] gilt nach Teil (a) \(D(H)=0\). Entfernt man \(T_{m,m-1}\) aus \(H\), so bleibt das Dreieck \(W\) mit den Eckpunkten \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] Sein Flächeninhalt beträgt \(m/2\).
Jeder Punkt von \(W\) erfüllt \[ m-1\leq x+y\leq m. \] Abgesehen von Randpunkten schneiden daher nur Einheitsquadrate mit der Indexsumme \(m-2\) oder \(m-1\) das Dreieck \(W\). Da \(m\) gerade ist, liegen seine schwarzen Teile genau in den Quadraten \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
Der untere Rand von \(W\) ist \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] In \(Q_{i,m-2-i}\) ist der oberhalb dieser Geraden liegende Teil ein rechtwinkliges Dreieck an der oberen rechten Ecke des Quadrats. Durch Schnitt der Geraden mit der oberen und der rechten Seite erhält man für seine waagerechte bzw. senkrechte Kathetenlänge \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{und}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] in dieser Reihenfolge. Somit ist der gesamte schwarze Flächeninhalt \(B\) von \(W\) \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] Daher gilt \[ D(W)=2B-\operatorname{Flächeninhalt}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] Wegen \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\) erhalten wir \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] Setzen wir \(m=2k\) und lassen \(k\) gegen unendlich gehen, so folgt, dass keine Konstante \(C\) sämtliche Werte von \(f(m,n)\) beschränken kann.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1997 · Soru 1
Düzlemde tam sayı koordinatlı noktalar, birim karelerin köşeleridir. Kareler dönüşümlü olarak siyah ve beyaza boyanmıştır (satranç tahtasındaki gibi).
Her \(m\) ve \(n\) pozitif tam sayı çifti için, köşeleri tam sayı koordinatlı olan ve uzunlukları \(m\) ve \(n\) olan dik kenarları karelerin kenarları boyunca uzanan bir dik üçgen ele alalım.
Üçgenin siyah kısmının toplam alanı \(S_1\), beyaz kısmının toplam alanı ise \(S_2\) olsun. \[ f(m,n)=|S_1-S_2| \] olarak tanımlayalım.
(a) Her ikisi de çift veya her ikisi de tek olan tüm \(m\) ve \(n\) pozitif tam sayıları için \(f(m,n)\) değerini hesaplayınız.
(b) Tüm \(m\) ve \(n\) için \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) olduğunu kanıtlayınız.
(c) Tüm \(m\) ve \(n\) için \(f(m,n)<C\) olacak şekilde bir \(C\) sabitinin bulunmadığını gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ her ikisi de çift},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ her ikisi de tek}. \end{cases}} \]
(b) şıkkındaki sınır geçerlidir ve \(f\) sınırsızdır. Özellikle, \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
Çözüm
Tam sayı bileşenli ötelemeler ve koordinat doğrularına göre yansımalar, boyamayı korur ya da iki rengi birbiriyle değiştirir. Dolayısıyla alan farkının mutlak değerini korurlar. Bu nedenle üçgenimizi \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] olarak alabilir ve \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] birim karesinin ancak ve ancak \(i+j\) çift olduğunda siyah olduğunu varsayabiliriz.
Herhangi bir \(A\) bölgesi için, siyah alanından beyaz alanının çıkarılmasıyla elde edilen farkı \(D(A)\) ile gösterelim. Bu nicelik, iç bölgeleri ayrık olan bölgeler üzerinde toplamsaldır ve \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\) olur.
(a) \(R=[0,m]\times[0,n]\) dikdörtgenini ele alalım. \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] yarım dönmesi, bu dikdörtgenin \(T_{m,n}\) üçgeninin hipotenüsüyle ayrılan iki üçgenini birbiriyle değiştirir. \(Q_{i,j}\) karesini \(Q_{m-1-i,n-1-j}\) karesine götürür ve \(m+n\) çift olduğunda rengini korur.
Dolayısıyla \(m,n\) aynı tek-çiftliğe sahip olduğunda, iki üçgenin işaretli alan farkları eşittir; bu nedenle \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] Her iki boyut da çiftse, dikdörtgen eşit sayıda siyah ve beyaz kare içerir; dolayısıyla \(D(R)=0\) olur. Her ikisi de tekse, siyah kare sayısı beyaz kare sayısından bir fazladır; dolayısıyla \(D(R)=1\) olur. Böylece sırasıyla \[ f(m,n)=0\quad\text{veya}\quad\frac12 \] elde edilir.
(b) (a) şıkkı, \(m,n\) aynı tek-çiftliğe sahip olduğunda sınırı zaten kanıtlar. Aksi durumda, gerekirse koordinatları birbiriyle değiştirerek \(m\) sayısının çift olmasını sağlayalım.
\(T_{m,n}\) üçgenini, aşağıdaki \(m\) düşey şeritle kesişimlerine ayıralım: \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] \(i\) şeridinin içindeki bir düşey doğru üzerinde üçgen, \(y=0\) noktasından başlayan bir doğru parçası kaplar. Bu doğru parçası boyunca renkler birim uzunluklarda dönüşümlü olarak değişir.
Alttan başlayarak ardışık birim uzunlukları ikişer ikişer eşleyelim. Her tam çiftte siyah ve beyaz uzunluklar eşittir. Uzunluğu \(0\) ile \(2\) arasında olan kalan doğru parçasında, alttaki rengin uzunluk fazlası \(0\) ile \(1\) arasındadır: ilk birim boyunca \(0\)'dan \(1\)'e yükselir, ardından ikinci birim boyunca \(0\)'a düşer.
Dolayısıyla bu düşey kesitlerin alanları alınarak, \(i\) şeridindeki işaretli alan farkı \(d_i\) için \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ çift}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ tek}) \] elde edilir. Her türden \(m/2\) şerit vardır. Bu nedenle \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] ve dolayısıyla \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) \(m\geq2\) çift olsun. \(f(m,m-1)\) değerini hesaplayalım.
(a) şıkkına göre \[ H=T_{m,m} \] ikizkenar üçgeni için \(D(H)=0\) olur. \(H\) üçgeninden \(T_{m,m-1}\) çıkarıldığında, köşeleri \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0) \] olan \(W\) üçgeni kalır. Alanı \(m/2\)'dir.
\(W\) üçgeninin her noktası \[ m-1\leq x+y\leq m \] eşitsizliğini sağlar. Dolayısıyla sınırlar dışında, \(W\) ile kesişen birim karelerin indisleri toplamı yalnızca \(m-2\) veya \(m-1\) olabilir. \(m\) çift olduğundan, siyah kısımları tam olarak \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2 \] karelerinde bulunur.
\(W\) üçgeninin alt sınırı \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right) \] doğrusudur. \(Q_{i,m-2-i}\) karesinde, bu doğrunun üstünde kalan kısım, karenin sağ üst köşesinde bir dik üçgendir. Doğrunun üst ve sağ kenarlarla kesişimleri bulunarak, yatay ve düşey dik kenar uzunlukları sırasıyla \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{ve}\qquad \frac{m-1-i}{m} \] olarak elde edilir. Böylece \(W\) üçgeninin toplam siyah alanı \(B\), \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12} \end{aligned} \] olur. Bu nedenle \[ D(W)=2B-\operatorname{alan}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\) olduğundan, \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6} \] elde ederiz. \(m=2k\) alıp \(k\)'yı sonsuza götürmek, hiçbir \(C\) sabitinin \(f(m,n)\)'nin tüm değerlerini sınırlayamayacağını kanıtlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1997 · Problema 1
En el plano, los puntos de coordenadas enteras son los vértices de cuadrados de lado unidad. Los cuadrados están coloreados alternativamente de negro y blanco (como en un tablero de ajedrez).
Para cualquier par de enteros positivos \(m\) y \(n\), consideremos un triángulo rectángulo cuyos vértices tienen coordenadas enteras y cuyos catetos, de longitudes \(m\) y \(n\), están situados sobre los lados de los cuadrados.
Sea \(S_1\) el área total de la parte negra del triángulo y \(S_2\) el área total de la parte blanca. Sea \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Calcular \(f(m,n)\) para todos los enteros positivos \(m\) y \(n\) que sean ambos pares o ambos impares.
(b) Demostrar que \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) para todos \(m\) y \(n\).
(c) Demostrar que no existe ninguna constante \(C\) tal que \(f(m,n)<C\) para todos \(m\) y \(n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ ambos pares},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ ambos impares}. \end{cases}} \]
La cota de (b) se cumple, y \(f\) no está acotada. En particular, \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
Solución
Las traslaciones por vectores de coordenadas enteras y las reflexiones respecto de los ejes de coordenadas conservan la coloración o intercambian los dos colores. Por tanto, conservan el valor absoluto de la diferencia de áreas. Así pues, podemos tomar como triángulo \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] y suponer que el cuadrado de lado unidad \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] es negro exactamente cuando \(i+j\) es par.
Para cualquier región \(A\), denotemos por \(D(A)\) su área negra menos su área blanca. Esta cantidad es aditiva sobre regiones con interiores disjuntos, y \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\).
(a) Consideremos el rectángulo \(R=[0,m]\times[0,n]\). El giro de media vuelta \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] intercambia los dos triángulos en que lo divide la hipotenusa de \(T_{m,n}\). Transforma \(Q_{i,j}\) en \(Q_{m-1-i,n-1-j}\), conservando su color siempre que \(m+n\) sea par.
En consecuencia, cuando \(m,n\) tienen la misma paridad, los dos triángulos tienen la misma diferencia de áreas con signo, de modo que \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] Si ambas dimensiones son pares, el rectángulo contiene el mismo número de cuadrados negros y blancos, por lo que \(D(R)=0\). Si ambas son impares, contiene un cuadrado negro más que blancos, por lo que \(D(R)=1\). Así, \[ f(m,n)=0\quad\text{o}\quad\frac12, \] respectivamente.
(b) El apartado (a) ya demuestra la cota cuando \(m,n\) tienen la misma paridad. En caso contrario, intercambiamos las coordenadas si es necesario para que \(m\) sea par.
Dividamos \(T_{m,n}\) en sus intersecciones con las \(m\) franjas verticales \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] En una recta vertical situada dentro de la franja \(i\), el triángulo ocupa un segmento que empieza en \(y=0\). A lo largo de este segmento, los colores se alternan en tramos de longitud unidad.
Agrupemos de dos en dos los tramos consecutivos de longitud unidad, empezando por abajo. Cada pareja completa tiene la misma longitud negra que blanca. En el segmento restante, cuya longitud está entre \(0\) y \(2\), el exceso del color inferior está entre \(0\) y \(1\): aumenta de \(0\) a \(1\) a lo largo de la primera unidad y luego disminuye hasta \(0\) a lo largo de la segunda.
Así, al calcular las áreas a partir de estas secciones verticales, la diferencia de áreas con signo \(d_i\) en la franja \(i\) satisface \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ par}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ impar}). \] Hay \(m/2\) franjas de cada tipo. Por tanto, \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] y, en consecuencia, \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) Sea \(m\geq2\) par. Calculemos \(f(m,m-1)\).
El triángulo isósceles \[ H=T_{m,m} \] satisface \(D(H)=0\) por el apartado (a). Al quitar \(T_{m,m-1}\) de \(H\), queda el triángulo \(W\) de vértices \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] Su área es \(m/2\).
Todo punto de \(W\) satisface \[ m-1\leq x+y\leq m. \] En consecuencia, salvo por las fronteras, los únicos cuadrados de lado unidad que intersecan \(W\) tienen suma de índices \(m-2\) o \(m-1\). Como \(m\) es par, sus partes negras se encuentran precisamente en los cuadrados \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
La frontera inferior de \(W\) es \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] En \(Q_{i,m-2-i}\), la parte situada por encima de esta recta es un triángulo rectángulo en el vértice superior derecho del cuadrado. Al intersecar la recta con los lados superior y derecho, se obtiene que las longitudes de sus catetos horizontal y vertical son \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{y}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] respectivamente. Así, el área negra total \(B\) de \(W\) es \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] Por tanto, \[ D(W)=2B-\operatorname{área}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] Como \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\), obtenemos \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] Tomando \(m=2k\) y haciendo que \(k\) tienda a infinito, queda demostrado que ninguna constante \(C\) puede acotar todos los valores de \(f(m,n)\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1997 · 问题 1
平面上所有整数坐标点都是单位正方形的顶点。这些正方形交替染成黑色和白色(如同棋盘一样)。
对于任意一对正整数 \(m\) 和 \(n\),考虑一个直角三角形,其顶点的坐标均为整数,两条直角边的长度分别为 \(m\) 和 \(n\),且都沿着正方形的边。
设 \(S_1\) 为三角形中黑色部分的总面积,\(S_2\) 为白色部分的总面积。令 \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) 对于同为偶数或同为奇数的所有正整数 \(m\) 和 \(n\),求 \(f(m,n)\)。
(b) 证明:对于所有 \(m\) 和 \(n\),都有 \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\)。
(c) 证明:不存在常数 \(C\),使得对于所有 \(m\) 和 \(n\),都有 \(f(m,n)<C\)。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ 均为偶数},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ 均为奇数}. \end{cases}} \]
(b) 中的界成立,且 \(f\) 无界。特别地, \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
解答
按整数向量平移以及关于坐标直线作反射,都会保持染色不变或将两种颜色互换。因此,这些变换保持面积差的绝对值不变。于是,我们可以取三角形为 \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] 并假设单位正方形 \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] 为黑色当且仅当 \(i+j\) 为偶数。
对于任意区域 \(A\),用 \(D(A)\) 表示其黑色面积减去白色面积。对于内部互不相交的区域,这个量具有可加性,且 \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\)。
(a) 考虑矩形 \(R=[0,m]\times[0,n]\)。半周旋转 \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] 将矩形中由 \(T_{m,n}\) 的斜边分隔出的两个三角形互换。它将 \(Q_{i,j}\) 映为 \(Q_{m-1-i,n-1-j}\),只要 \(m+n\) 为偶数,就保持其颜色不变。
因此,当 \(m,n\) 同奇偶时,两个三角形的带符号面积差相等,故 \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] 如果两个边长均为偶数,矩形内黑色和白色正方形的个数相等,因而 \(D(R)=0\)。如果两个边长均为奇数,黑色正方形比白色正方形多一个,因而 \(D(R)=1\)。所以,这两种情形分别有 \[ f(m,n)=0\quad\text{或}\quad\frac12, \] 成立。
(b) 当 \(m,n\) 同奇偶时,(a) 已经证明了所要求的界。否则,必要时交换两个坐标,使 \(m\) 为偶数。
将 \(T_{m,n}\) 分成它与下列 \(m\) 个竖直条带的交集: \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] 在第 \(i\) 个条带内的一条竖直直线上,三角形所占的部分是从 \(y=0\) 开始的一条线段。沿着这条线段,两种颜色以单位长度交替出现。
从底端开始,将相邻的单位长度段两两配对。每一完整对中,黑色与白色的长度相等。剩余线段的长度介于 \(0\) 与 \(2\) 之间,其中底端颜色的长度超出另一种颜色的长度之差介于 \(0\) 与 \(1\) 之间:在第一个单位长度内,这个差从 \(0\) 增至 \(1\),随后在第二个单位长度内降至 \(0\)。
因此,通过对这些竖直截线的长度求面积可知,第 \(i\) 个条带中的带符号面积差 \(d_i\) 满足 \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ 为偶数}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ 为奇数}). \] 两类条带各有 \(m/2\) 个。因此 \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] 从而 \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) 设 \(m\geq2\) 为偶数。我们来计算 \(f(m,m-1)\)。
由 (a),等腰三角形 \[ H=T_{m,m} \] 满足 \(D(H)=0\)。从 \(H\) 中去掉 \(T_{m,m-1}\),剩下的三角形 \(W\) 的顶点为 \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] 它的面积为 \(m/2\)。
\(W\) 中的每一点都满足 \[ m-1\leq x+y\leq m. \] 因此,不计边界,与 \(W\) 相交的单位正方形的下标之和只能为 \(m-2\) 或 \(m-1\)。由于 \(m\) 为偶数,\(W\) 的黑色部分恰好位于以下正方形中: \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
\(W\) 的下边界为 \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] 在 \(Q_{i,m-2-i}\) 中,这条直线上方的部分是位于正方形右上角的一个直角三角形。求出该直线与上边和右边的交点,可得其水平直角边和竖直直角边的长度分别为 \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{和}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] 于是,\(W\) 的黑色总面积 \(B\) 为 \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] 因此 \[ D(W)=2B-\operatorname{面积}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] 由于 \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\),得到 \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] 取 \(m=2k\),并令 \(k\) 趋于无穷,即证明了不存在常数 \(C\) 能作为所有 \(f(m,n)\) 值的上界。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1997 · Задача 1
На плоскости точки с целочисленными координатами являются вершинами единичных квадратов. Квадраты раскрашены попеременно в чёрный и белый цвета (как на шахматной доске).
Для любой пары натуральных чисел \(m\) и \(n\) рассмотрим прямоугольный треугольник, вершины которого имеют целочисленные координаты, а катеты длиной \(m\) и \(n\) идут по сторонам квадратов.
Пусть \(S_1\) — суммарная площадь чёрной части треугольника, а \(S_2\) — суммарная площадь белой части. Положим \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) Вычислите \(f(m,n)\) для всех натуральных чисел \(m\) и \(n\), которые либо оба чётны, либо оба нечётны.
(b) Докажите, что \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) для всех \(m\) и \(n\).
(c) Покажите, что не существует постоянной \(C\), такой что \(f(m,n)<C\) для всех \(m\) и \(n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ оба чётны},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ оба нечётны}. \end{cases}} \]
Оценка из пункта (b) верна, а функция \(f\) неограниченна. В частности, \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
Решение
Переносы на целочисленные векторы и отражения относительно координатных прямых сохраняют раскраску или меняют два цвета местами. Поэтому они сохраняют модуль разности площадей. Следовательно, можно считать, что наш треугольник имеет вид \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] а единичный квадрат \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] чёрный тогда и только тогда, когда \(i+j\) чётно.
Для любой области \(A\) обозначим через \(D(A)\) разность площадей её чёрной и белой частей. Эта величина аддитивна для областей с непересекающимися внутренностями, причём \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\).
(a) Рассмотрим прямоугольник \(R=[0,m]\times[0,n]\). Поворот на пол-оборота \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] меняет местами два треугольника, на которые его делит гипотенуза \(T_{m,n}\). Он переводит \(Q_{i,j}\) в \(Q_{m-1-i,n-1-j}\), сохраняя его цвет, если \(m+n\) чётно.
Следовательно, когда \(m,n\) имеют одинаковую чётность, разности площадей чёрной и белой частей двух треугольников равны, так что \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] Если обе стороны чётны, прямоугольник содержит поровну чёрных и белых квадратов, откуда \(D(R)=0\). Если обе стороны нечётны, чёрных квадратов в нём на один больше, чем белых, откуда \(D(R)=1\). Таким образом, \[ f(m,n)=0\quad\text{или}\quad\frac12, \] соответственно.
(b) Пункт (a) уже доказывает оценку в случае, когда \(m,n\) имеют одинаковую чётность. В противном случае при необходимости поменяем координаты местами так, чтобы \(m\) было чётным.
Разобьём \(T_{m,n}\) на его пересечения с \(m\) вертикальными полосами \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] На вертикальной прямой внутри полосы \(i\) треугольник высекает отрезок, начинающийся при \(y=0\). Вдоль этого отрезка цвета чередуются через единицу длины.
Разобьём последовательные единичные отрезки на пары, начиная снизу. В каждой полной паре длины чёрной и белой частей равны. В оставшемся отрезке, длина которого лежит между \(0\) и \(2\), превышение длины части нижнего цвета над длиной части другого цвета лежит между \(0\) и \(1\): оно возрастает от \(0\) до \(1\) на первой единице длины, а затем убывает до \(0\) на второй.
Таким образом, переходя от этих вертикальных сечений к площадям, получаем, что разность площадей чёрной и белой частей \(d_i\) в полосе \(i\) удовлетворяет неравенствам \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ чётно}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ нечётно}). \] Полос каждого вида имеется \(m/2\). Поэтому \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] и, следовательно, \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) Пусть \(m\geq2\) чётно. Вычислим \(f(m,m-1)\).
Для равнобедренного треугольника \[ H=T_{m,m} \] по пункту (a) имеем \(D(H)=0\). После удаления \(T_{m,m-1}\) из \(H\) остаётся треугольник \(W\) с вершинами \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] Его площадь равна \(m/2\).
Каждая точка \(W\) удовлетворяет неравенствам \[ m-1\leq x+y\leq m. \] Следовательно, если не учитывать границы, с \(W\) пересекаются только единичные квадраты с суммой индексов \(m-2\) или \(m-1\). Поскольку \(m\) чётно, его чёрные части лежат в точности в квадратах \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
Нижняя граница \(W\) задаётся уравнением \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] В \(Q_{i,m-2-i}\) часть, лежащая выше этой прямой, представляет собой прямоугольный треугольник у верхнего правого угла квадрата. Находя пересечения прямой с верхней и правой сторонами, получаем длины его горизонтального и вертикального катетов: \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{и}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] соответственно. Поэтому суммарная площадь \(B\) чёрной части \(W\) равна \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] Следовательно, \[ D(W)=2B-\operatorname{площадь}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] Поскольку \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\), получаем \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] Полагая \(m=2k\) и устремляя \(k\) к бесконечности, убеждаемся, что никакая постоянная \(C\) не может ограничивать сверху все значения \(f(m,n)\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1997 · المسألة 1
في المستوى، تشكّل النقاط ذات الإحداثيات الصحيحة رؤوس مربعات طول ضلع كل منها وحدة واحدة. وتُلوَّن المربعات بالتناوب بالأسود والأبيض (كما في رقعة الشطرنج).
لكل زوج من العددين الصحيحين الموجبين \(m\) و\(n\)، نعتبر مثلثًا قائم الزاوية إحداثيات رؤوسه أعداد صحيحة، ويقع ضلعاه القائمان، اللذان طولاهما \(m\) و\(n\)، على امتداد أضلاع المربعات.
لتكن \(S_1\) المساحة الكلية للجزء الأسود من المثلث، ولتكن \(S_2\) المساحة الكلية للجزء الأبيض. ولتكن \[ f(m,n)=|S_1-S_2|. \]
(a) احسب \(f(m,n)\) لجميع العددين الصحيحين الموجبين \(m\) و\(n\) اللذين يكونان كلاهما زوجيين أو كلاهما فرديين.
(b) أثبت أن \(f(m,n)\leq \frac12\max\{m,n\}\) لجميع \(m\) و\(n\).
(c) بيّن أنه لا يوجد ثابت \(C\) بحيث يكون \(f(m,n)<C\) لجميع \(m\) و\(n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{ f(m,n)= \begin{cases} 0,&m,n\text{ كلاهما زوجيان},\\[2pt] \frac12,&m,n\text{ كلاهما فرديان}. \end{cases}} \]
المتباينة في (b) صحيحة، والدالة \(f\) غير محدودة. وعلى وجه الخصوص، \[ \boxed{f(2k,2k-1)=\frac{2k+1}{6}\qquad(k\geq1).} \]
الحل
الانسحابات بمقادير صحيحة والانعكاسات حول مستقيمات الإحداثيات تحافظ على التلوين أو تبدّل اللونين. ومن ثم فإنها تحافظ على القيمة المطلقة لفرق المساحتين. لذلك يمكننا أن نأخذ مثلثنا على الصورة \[ T_{m,n}=\left\{(x,y):x,y\geq0,\ \frac{x}{m}+\frac{y}{n}\leq1\right\}, \] وأن نفترض أن مربع الوحدة \[ Q_{i,j}=[i,i+1]\times[j,j+1] \] أسود إذا وفقط إذا كان \(i+j\) زوجيًا.
لكل منطقة \(A\)، نرمز بـ\(D(A)\) إلى مساحة جزئها الأسود ناقص مساحة جزئها الأبيض. وهذه الكمية تجميعية على المناطق ذات الأجزاء الداخلية المتباينة، كما أن \(f(m,n)=|D(T_{m,n})|\).
(a) نعتبر المستطيل \(R=[0,m]\times[0,n]\). إن الدوران بنصف دورة \[ (x,y)\longmapsto(m-x,n-y) \] يبدّل المثلثين اللذين يفصل بينهما وتر \(T_{m,n}\) داخل المستطيل. وهو يحوّل \(Q_{i,j}\) إلى \(Q_{m-1-i,n-1-j}\)، محافظًا على لونه متى كان \(m+n\) زوجيًا.
وبالتالي، عندما يكون \(m,n\) من الزوجية نفسها، يكون للمثلثين فرق المساحتين الموقّع نفسه، ومن ثم \[ 2D(T_{m,n})=D(R). \] إذا كان البعدان زوجيين، فإن المستطيل يحتوي على عددين متساويين من المربعات السوداء والبيضاء، فيكون \(D(R)=0\). وإذا كان كلاهما فرديًا، فإنه يحتوي على مربع أسود يزيد على عدد المربعات البيضاء، فيكون \(D(R)=1\). ومن ثم \[ f(m,n)=0\quad\text{أو}\quad\frac12, \] على الترتيب.
(b) يثبت الجزء (a) المتباينة بالفعل عندما يكون \(m,n\) من الزوجية نفسها. وفي غير ذلك، نبدّل الإحداثيين عند الحاجة بحيث يكون \(m\) زوجيًا.
نقسّم \(T_{m,n}\) إلى تقاطعاته مع الشرائط الرأسية وعددها \(m\)، وهي \[ i\leq x\leq i+1,\qquad i=0,\ldots,m-1. \] على مستقيم رأسي داخل الشريط \(i\)، يشغل المثلث قطعة تبدأ عند \(y=0\). وعلى طول هذه القطعة، يتناوب اللونان في أجزاء طول كل منها وحدة واحدة.
نقرن كل جزأين متتاليين طول كل منهما وحدة واحدة، بدءًا من الأسفل. وفي كل زوج كامل، يتساوى الطولان الأسود والأبيض. وفي القطعة المتبقية، التي يتراوح طولها بين \(0\) و\(2\)، يتراوح فائض طول اللون السفلي بين \(0\) و\(1\): فهو يزداد من \(0\) إلى \(1\) خلال الوحدة الأولى، ثم يتناقص إلى \(0\) خلال الثانية.
ومن ثم، بحساب مساحات هذه المقاطع الرأسية، نجد أن فرق المساحتين الموقّع \(d_i\) في الشريط \(i\) يحقق \[ 0\leq d_i\leq1\quad(i\text{ زوجي}),\qquad -1\leq d_i\leq0\quad(i\text{ فردي}). \] يوجد \(m/2\) شريطًا من كل نوع. لذلك \[ -\frac m2\leq D(T_{m,n})=\sum_{i=0}^{m-1}d_i\leq\frac m2, \] ومن ثم \[ f(m,n)\leq\frac m2\leq\frac12\max\{m,n\}. \]
(c) ليكن \(m\geq2\) زوجيًا. نحسب \(f(m,m-1)\).
المثلث متساوي الساقين \[ H=T_{m,m} \] يحقق \(D(H)=0\) بحسب الجزء (a). وبحذف \(T_{m,m-1}\) من \(H\) يتبقى المثلث \(W\) الذي رؤوسه \[ (0,m-1),\quad(0,m),\quad(m,0). \] ومساحته \(m/2\).
كل نقطة من \(W\) تحقق \[ m-1\leq x+y\leq m. \] وبالتالي، باستثناء الحدود، فإن مربعات الوحدة الوحيدة التي تتقاطع مع \(W\) هي التي يكون مجموع دليليها \(m-2\) أو \(m-1\). وبما أن \(m\) زوجي، فإن أجزائه السوداء تقع تحديدًا في المربعات \[ Q_{i,m-2-i},\qquad i=0,\ldots,m-2. \]
الحد السفلي لـ\(W\) هو \[ y=(m-1)\left(1-\frac{x}{m}\right). \] في \(Q_{i,m-2-i}\)، يكون الجزء الواقع فوق هذا المستقيم مثلثًا قائم الزاوية عند الزاوية العلوية اليمنى للمربع. وبإيجاد تقاطع المستقيم مع الضلعين العلوي والأيمن، نحصل على طولي ضلعيه القائمين الأفقي والرأسي، وهما \[ \frac{m-1-i}{m-1} \qquad\text{و}\qquad \frac{m-1-i}{m}, \] على الترتيب. ومن ثم فإن المساحة السوداء الكلية \(B\) في \(W\) هي \[ \begin{aligned} B &=\sum_{i=0}^{m-2}\frac{(m-1-i)^2}{2m(m-1)}\\ &=\frac{1}{2m(m-1)}\sum_{r=1}^{m-1}r^2\\ &=\frac{1}{2m(m-1)} \frac{(m-1)m(2m-1)}6 =\frac{2m-1}{12}. \end{aligned} \] لذلك \[ D(W)=2B-\operatorname{مساحة}(W) =\frac{2m-1}{6}-\frac m2 =-\frac{m+1}{6}. \] وبما أن \(D(H)=D(T_{m,m-1})+D(W)=0\)، نحصل على \[ f(m,m-1)=\frac{m+1}{6}. \] وبأخذ \(m=2k\) وجعل \(k\) يؤول إلى ما لا نهاية، نثبت أنه لا يمكن لأي ثابت \(C\) أن يحدّ جميع قيم \(f(m,n)\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.