IMO 1997 · Problem 4
An \(n \times n\) matrix whose entries come from the set \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) is called a silver matrix if, for each \(i=1,2,\ldots,n\), the \(i\)th row and the \(i\)th column together contain all elements of \(S\). Show that
(a) there is no silver matrix for \(n=1997\);
(b) silver matrices exist for infinitely many values of \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For each \(i\), the union of the \(i\)th row and the \(i\)th column consists of exactly \(2n-1\) positions. Thus, in a silver matrix, these positions contain each element of \(S\) exactly once.
(a) Suppose a silver matrix exists. For each \(s\in S\), let \(d_s\) be the number of diagonal entries equal to \(s\), and let \(e_s\) be the number of off-diagonal entries equal to \(s\).
Count the occurrences of \(s\) in the unions of row \(i\) and column \(i\), summed over all \(i=1,\ldots,n\). Each union contains \(s\) exactly once, so the count is \(n\). Each diagonal occurrence is counted once, while an off-diagonal occurrence at position \((i,j)\) is counted twice: in the union indexed by \(i\) and in the union indexed by \(j\). Hence \[ n=d_s+2e_s. \]
If \(n=1997\), every \(d_s\) is odd and therefore at least \(1\). Consequently, \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] a contradiction. Thus no silver matrix exists for \(n=1997\).
(b) We prove that a silver matrix exists for every \(n=2^k\), where \(k\) is a nonnegative integer.
The matrix \((1)\) is silver, giving the case \(n=1\). It remains to show how to construct a silver matrix of order \(2n\) from one of order \(n\).
Let \(A\) be a silver matrix of order \(n\). For \(1\le i,j\le n\), let \(r_{ij}\) be the remainder of \(i+j-2\) upon division by \(n\), and define \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] For any fixed row or column, the remainders \(r_{ij}\) run through \(0,1,\ldots,n-1\) exactly once. Therefore every row and every column of \(B\) contains exactly the numbers \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] and every row and every column of \(C\) contains exactly the numbers \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \]
Consider the \(2n\times2n\) matrix \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] All its entries belong to \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\).
For \(1\le i\le n\), row \(i\) and column \(i\) of \(M\) together contain the corresponding row and column of the upper-left copy of \(A\), row \(i\) of \(B\), and column \(i\) of \(C\). These contain, respectively, all elements of \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
Likewise, row \(n+i\) and column \(n+i\) contain the corresponding row and column of the lower-right copy of \(A\), row \(i\) of \(C\), and column \(i\) of \(B\), so they also contain all elements of \(\{1,\ldots,4n-1\}\).
Thus \(M\) is silver. Repeatedly applying this construction gives silver matrices of orders \[ 1,2,4,8,\ldots, \] proving that infinitely many orders are possible.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1997 · Aufgabe 4
Eine \(n \times n\)-Matrix mit Einträgen aus der Menge \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) heißt Silbermatrix, wenn für jedes \(i=1,2,\ldots,n\) die \(i\)-te Zeile und die \(i\)-te Spalte zusammen alle Elemente von \(S\) enthalten. Zeige, dass
(a) es für \(n=1997\) keine Silbermatrix gibt;
(b) für unendlich viele Werte von \(n\) Silbermatrizen existieren.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für jedes \(i\) besteht die Vereinigung der \(i\)-ten Zeile und der \(i\)-ten Spalte aus genau \(2n-1\) Positionen. In einer Silbermatrix enthalten diese Positionen daher jedes Element von \(S\) genau einmal.
(a) Angenommen, es existiert eine Silbermatrix. Für jedes \(s\in S\) sei \(d_s\) die Anzahl der Diagonaleinträge, die gleich \(s\) sind, und \(e_s\) die Anzahl der Einträge außerhalb der Diagonale, die gleich \(s\) sind.
Wir zählen die Vorkommen von \(s\) in den Vereinigungen von Zeile \(i\) und Spalte \(i\), summiert über alle \(i=1,\ldots,n\). Jede Vereinigung enthält \(s\) genau einmal, sodass sich die Anzahl \(n\) ergibt. Jedes Vorkommen auf der Diagonale wird einmal gezählt, während ein Vorkommen außerhalb der Diagonale an der Position \((i,j)\) zweimal gezählt wird: in der durch \(i\) indizierten Vereinigung und in der durch \(j\) indizierten Vereinigung. Daher gilt \[ n=d_s+2e_s. \]
Für \(n=1997\) ist jedes \(d_s\) ungerade und somit mindestens \(1\). Folglich gilt \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] ein Widerspruch. Somit existiert für \(n=1997\) keine Silbermatrix.
(b) Wir beweisen, dass für jedes \(n=2^k\), wobei \(k\) eine nichtnegative ganze Zahl ist, eine Silbermatrix existiert.
Die Matrix \((1)\) ist eine Silbermatrix und liefert den Fall \(n=1\). Es bleibt zu zeigen, wie man aus einer Silbermatrix der Ordnung \(n\) eine Silbermatrix der Ordnung \(2n\) konstruiert.
Sei \(A\) eine Silbermatrix der Ordnung \(n\). Für \(1\le i,j\le n\) sei \(r_{ij}\) der Rest von \(i+j-2\) bei Division durch \(n\), und wir definieren \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] In jeder festen Zeile oder Spalte durchlaufen die Reste \(r_{ij}\) die Werte \(0,1,\ldots,n-1\) genau einmal. Daher enthält jede Zeile und jede Spalte von \(B\) genau die Zahlen \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] und jede Zeile und jede Spalte von \(C\) enthält genau die Zahlen \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \]
Betrachten wir die \(2n\times2n\)-Matrix \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] Alle ihre Einträge gehören zu \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\).
Für \(1\le i\le n\) enthalten die Zeile \(i\) und die Spalte \(i\) von \(M\) zusammen die entsprechende Zeile und Spalte der Kopie von \(A\) oben links, die Zeile \(i\) von \(B\) sowie die Spalte \(i\) von \(C\). Diese enthalten der Reihe nach alle Elemente von \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
Ebenso enthalten die Zeile \(n+i\) und die Spalte \(n+i\) die entsprechende Zeile und Spalte der Kopie von \(A\) unten rechts, die Zeile \(i\) von \(C\) sowie die Spalte \(i\) von \(B\), sodass auch sie alle Elemente von \(\{1,\ldots,4n-1\}\) enthalten.
Somit ist \(M\) eine Silbermatrix. Durch wiederholte Anwendung dieser Konstruktion erhält man Silbermatrizen der Ordnungen \[ 1,2,4,8,\ldots, \] womit bewiesen ist, dass unendlich viele Ordnungen möglich sind.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1997 · Soru 4
Elemanları \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) kümesinden alınan bir \(n \times n\) matrisine, her \(i=1,2,\ldots,n\) için \(i\). satırı ile \(i\). sütunu birlikte \(S\)'nin tüm elemanlarını içeriyorsa gümüş matris denir. Aşağıdakileri gösteriniz:
(a) \(n=1997\) için gümüş matris yoktur;
(b) \(n\)'nin sonsuz çoklukta değeri için gümüş matris vardır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Her \(i\) için, \(i\). satır ile \(i\). sütunun birleşimi tam olarak \(2n-1\) konumdan oluşur. Dolayısıyla bir gümüş matriste bu konumlar, \(S\)'nin her elemanını tam olarak bir kez içerir.
(a) Bir gümüş matrisin var olduğunu varsayalım. Her \(s\in S\) için, \(s\)'ye eşit köşegen elemanlarının sayısı \(d_s\), köşegen dışında \(s\)'ye eşit elemanların sayısı ise \(e_s\) olsun.
Tüm \(i=1,\ldots,n\) değerleri üzerinden, \(i\). satır ile \(i\). sütunun birleşimlerinde \(s\)'nin toplam kaç kez yer aldığını sayalım. Her birleşim \(s\)'yi tam olarak bir kez içerdiğinden, bu sayı \(n\)'dir. Köşegen üzerindeki her \(s\) bir kez sayılırken, köşegen dışındaki bir \((i,j)\) konumunda bulunan \(s\) iki kez sayılır: \(i\) indisli birleşimde ve \(j\) indisli birleşimde. Böylece \[ n=d_s+2e_s. \]
\(n=1997\) ise, her \(d_s\) tektir ve dolayısıyla en az \(1\)'dir. Bu nedenle \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] bir çelişkidir. Böylece \(n=1997\) için gümüş matris yoktur.
(b) \(k\) negatif olmayan bir tam sayı olmak üzere, her \(n=2^k\) için bir gümüş matrisin var olduğunu kanıtlayacağız.
\((1)\) matrisi gümüş olduğundan \(n=1\) durumu sağlanır. Geriye, \(n\) mertebeli bir gümüş matristen \(2n\) mertebeli bir gümüş matrisin nasıl oluşturulacağını göstermek kalır.
\(A\), \(n\) mertebeli bir gümüş matris olsun. \(1\le i,j\le n\) için, \(i+j-2\)'nin \(n\)'ye bölümünden kalanı \(r_{ij}\) ile gösterelim ve \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij} \] olarak tanımlayalım. Sabit bir satır veya sütunda, \(r_{ij}\) kalanları \(0,1,\ldots,n-1\) değerlerinin her birini tam olarak bir kez alır. Dolayısıyla \(B\)'nin her satırı ve her sütunu tam olarak \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] sayılarını, \(C\)'nin her satırı ve her sütunu ise tam olarak \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1 \] sayılarını içerir.
\(2n\times2n\) boyutlu \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix} \] matrisini ele alalım. Tüm elemanları \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\) kümesine aittir.
\(1\le i\le n\) için, \(M\)'nin \(i\). satırı ile \(i\). sütunu birlikte, sol üstteki \(A\) kopyasının karşılık gelen satır ve sütununu, \(B\)'nin \(i\). satırını ve \(C\)'nin \(i\). sütununu içerir. Bunlar sırasıyla \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\} \] kümelerinin tüm elemanlarını içerir.
Benzer şekilde, \(n+i\). satır ile \(n+i\). sütun, sağ alttaki \(A\) kopyasının karşılık gelen satır ve sütununu, \(C\)'nin \(i\). satırını ve \(B\)'nin \(i\). sütununu içerir; dolayısıyla bunlar da \(\{1,\ldots,4n-1\}\) kümesinin tüm elemanlarını içerir.
Böylece \(M\) gümüş bir matristir. Bu yapımın tekrar tekrar uygulanması, \[ 1,2,4,8,\ldots, \] mertebeli gümüş matrisler verir ve böylece sonsuz çoklukta mertebenin mümkün olduğunu kanıtlar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1997 · Problema 4
Una matriz \(n \times n\) cuyas entradas pertenecen al conjunto \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) se llama matriz de plata si, para cada \(i=1,2,\ldots,n\), la fila \(i\) y la columna \(i\) contienen, entre ambas, todos los elementos de \(S\). Demostrar que
(a) no existe ninguna matriz de plata para \(n=1997\);
(b) existen matrices de plata para infinitos valores de \(n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para cada \(i\), la unión de la fila \(i\) y la columna \(i\) consta de exactamente \(2n-1\) posiciones. Así, en una matriz de plata, estas posiciones contienen cada elemento de \(S\) exactamente una vez.
(a) Supongamos que existe una matriz de plata. Para cada \(s\in S\), sea \(d_s\) el número de entradas de la diagonal iguales a \(s\), y sea \(e_s\) el número de entradas fuera de la diagonal iguales a \(s\).
Contemos las apariciones de \(s\) en las uniones de la fila \(i\) y la columna \(i\), sumando sobre todos los \(i=1,\ldots,n\). Cada unión contiene \(s\) exactamente una vez, de modo que el recuento es \(n\). Cada aparición en la diagonal se cuenta una vez, mientras que una aparición fuera de la diagonal en la posición \((i,j)\) se cuenta dos veces: en la unión de índice \(i\) y en la unión de índice \(j\). Por tanto, \[ n=d_s+2e_s. \]
Si \(n=1997\), cada \(d_s\) es impar y, por tanto, al menos \(1\). En consecuencia, \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] lo que es una contradicción. Así pues, no existe ninguna matriz de plata para \(n=1997\).
(b) Demostraremos que existe una matriz de plata para cada \(n=2^k\), donde \(k\) es un entero no negativo.
La matriz \((1)\) es de plata, lo que da el caso \(n=1\). Queda por mostrar cómo construir una matriz de plata de orden \(2n\) a partir de una de orden \(n\).
Sea \(A\) una matriz de plata de orden \(n\). Para \(1\le i,j\le n\), sea \(r_{ij}\) el resto de dividir \(i+j-2\) entre \(n\), y definamos \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] Para cualquier fila o columna fija, los restos \(r_{ij}\) recorren \(0,1,\ldots,n-1\) exactamente una vez. Por tanto, cada fila y cada columna de \(B\) contiene exactamente los números \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] y cada fila y cada columna de \(C\) contiene exactamente los números \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \]
Consideremos la matriz \(2n\times2n\) \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] Todas sus entradas pertenecen a \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\).
Para \(1\le i\le n\), la fila \(i\) y la columna \(i\) de \(M\) contienen, entre ambas, la fila y la columna correspondientes de la copia de \(A\) situada arriba a la izquierda, la fila \(i\) de \(B\) y la columna \(i\) de \(C\). Estas contienen, respectivamente, todos los elementos de \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
Análogamente, la fila \(n+i\) y la columna \(n+i\) contienen la fila y la columna correspondientes de la copia de \(A\) situada abajo a la derecha, la fila \(i\) de \(C\) y la columna \(i\) de \(B\), por lo que también contienen todos los elementos de \(\{1,\ldots,4n-1\}\).
Así, \(M\) es de plata. Aplicando repetidamente esta construcción se obtienen matrices de plata de órdenes \[ 1,2,4,8,\ldots, \] lo que demuestra que son posibles infinitos órdenes.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1997 · 问题 4
一个元素取自集合 \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\) 的 \(n \times n\) 矩阵,若对于每个 \(i=1,2,\ldots,n\),其第 \(i\) 行与第 \(i\) 列合在一起包含 \(S\) 的所有元素,则称其为银矩阵。证明:
(a) 当 \(n=1997\) 时,不存在银矩阵;
(b) 对无穷多个 \(n\) 的值,存在银矩阵。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
对于每个 \(i\),第 \(i\) 行与第 \(i\) 列的并集恰好由 \(2n-1\) 个位置组成。因此,在银矩阵中,这些位置包含 \(S\) 的每个元素恰好一次。
(a) 假设存在银矩阵。对于每个 \(s\in S\),设 \(d_s\) 为等于 \(s\) 的对角元个数,\(e_s\) 为等于 \(s\) 的非对角元个数。
对所有 \(i=1,\ldots,n\),统计 \(s\) 在第 \(i\) 行与第 \(i\) 列的并集中出现的总次数。每个并集恰好包含一个 \(s\),故总次数为 \(n\)。每个等于 \(s\) 的对角元被计算一次,而位于 \((i,j)\) 的非对角元被计算两次:一次在下标为 \(i\) 的并集中,另一次在下标为 \(j\) 的并集中。因此 \[ n=d_s+2e_s. \]
如果 \(n=1997\),则每个 \(d_s\) 都是奇数,因而至少为 \(1\)。于是 \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] 矛盾。因此,当 \(n=1997\) 时,不存在银矩阵。
(b) 我们证明:对于每个 \(n=2^k\),其中 \(k\) 为非负整数,都存在银矩阵。
矩阵 \((1)\) 是银矩阵,这给出了 \(n=1\) 的情形。只需说明如何由一个 \(n\) 阶银矩阵构造出一个 \(2n\) 阶银矩阵。
设 \(A\) 是一个 \(n\) 阶银矩阵。对于 \(1\le i,j\le n\),设 \(r_{ij}\) 为 \(i+j-2\) 除以 \(n\) 所得的余数,并定义 \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] 对于任意固定的一行或一列,余数 \(r_{ij}\) 恰好将 \(0,1,\ldots,n-1\) 各取一次。因此,\(B\) 的每一行和每一列都恰好包含以下各数: \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] 而 \(C\) 的每一行和每一列都恰好包含以下各数: \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \]
考虑 \(2n\times2n\) 矩阵 \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] 它的所有元素都属于 \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\)。
对于 \(1\le i\le n\),\(M\) 的第 \(i\) 行与第 \(i\) 列合在一起,包含左上角的 \(A\) 的相应行与列、\(B\) 的第 \(i\) 行以及 \(C\) 的第 \(i\) 列。它们分别包含以下各集合的所有元素: \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
同样,第 \(n+i\) 行与第 \(n+i\) 列包含右下角的 \(A\) 的相应行与列、\(C\) 的第 \(i\) 行以及 \(B\) 的第 \(i\) 列,因此它们也包含 \(\{1,\ldots,4n-1\}\) 的所有元素。
所以 \(M\) 是银矩阵。反复应用这一构造,可得到阶数为 \[ 1,2,4,8,\ldots \] 的银矩阵,从而证明了存在无穷多种可能的阶数。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1997 · Задача 4
Матрица размера \(n \times n\), элементы которой принадлежат множеству \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\), называется серебряной матрицей, если для каждого \(i=1,2,\ldots,n\) её \(i\)-я строка и \(i\)-й столбец вместе содержат все элементы \(S\). Покажите, что
(a) при \(n=1997\) серебряной матрицы не существует;
(b) серебряные матрицы существуют для бесконечного числа значений \(n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Для каждого \(i\) объединение \(i\)-й строки и \(i\)-го столбца состоит ровно из \(2n-1\) позиций. Поэтому в серебряной матрице на этих позициях каждый элемент \(S\) встречается ровно один раз.
(a) Предположим, что серебряная матрица существует. Для каждого \(s\in S\) обозначим через \(d_s\) число диагональных элементов, равных \(s\), а через \(e_s\) — число внедиагональных элементов, равных \(s\).
Подсчитаем число вхождений \(s\) в объединения строки \(i\) и столбца \(i\), суммируя по всем \(i=1,\ldots,n\). Каждое объединение содержит \(s\) ровно один раз, поэтому результат равен \(n\). Каждое диагональное вхождение учитывается один раз, а внедиагональное вхождение на позиции \((i,j)\) — дважды: в объединении с индексом \(i\) и в объединении с индексом \(j\). Следовательно, \[ n=d_s+2e_s. \]
Если \(n=1997\), то каждое \(d_s\) нечётно и потому не меньше \(1\). Следовательно, \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] что даёт противоречие. Таким образом, при \(n=1997\) серебряной матрицы не существует.
(b) Докажем, что серебряная матрица существует для каждого \(n=2^k\), где \(k\) — неотрицательное целое число.
Матрица \((1)\) является серебряной, что даёт случай \(n=1\). Остаётся показать, как по серебряной матрице порядка \(n\) построить серебряную матрицу порядка \(2n\).
Пусть \(A\) — серебряная матрица порядка \(n\). Для \(1\le i,j\le n\) обозначим через \(r_{ij}\) остаток от деления \(i+j-2\) на \(n\) и положим \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] В каждой фиксированной строке или столбце остатки \(r_{ij}\) принимают значения \(0,1,\ldots,n-1\) ровно по одному разу. Поэтому каждая строка и каждый столбец \(B\) содержат в точности числа \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] а каждая строка и каждый столбец \(C\) содержат в точности числа \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \]
Рассмотрим матрицу размера \(2n\times2n\) \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] Все её элементы принадлежат \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\).
Для \(1\le i\le n\) строка \(i\) и столбец \(i\) матрицы \(M\) вместе содержат соответствующие строку и столбец верхней левой копии \(A\), строку \(i\) матрицы \(B\) и столбец \(i\) матрицы \(C\). Они содержат соответственно все элементы множеств \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
Аналогично, строка \(n+i\) и столбец \(n+i\) содержат соответствующие строку и столбец нижней правой копии \(A\), строку \(i\) матрицы \(C\) и столбец \(i\) матрицы \(B\), поэтому они также содержат все элементы \(\{1,\ldots,4n-1\}\).
Таким образом, \(M\) — серебряная матрица. Последовательно применяя это построение, получаем серебряные матрицы порядков \[ 1,2,4,8,\ldots, \] что доказывает существование бесконечного числа возможных порядков.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1997 · المسألة 4
تُسمّى مصفوفة من الرتبة \(n \times n\)، عناصرها من المجموعة \(S=\{1,2,\ldots,2n-1\}\)، مصفوفة فضية إذا كان الصف ذو الرقم \(i\) والعمود ذو الرقم \(i\) يحتويان معًا على جميع عناصر \(S\)، لكل \(i=1,2,\ldots,n\). بيّن أن
(a) لا توجد مصفوفة فضية عندما \(n=1997\)؛
(b) توجد مصفوفات فضية لعدد لا نهائي من قيم \(n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لكل \(i\)، يتكوّن اتحاد الصف ذي الرقم \(i\) والعمود ذي الرقم \(i\) من \(2n-1\) موضعًا بالضبط. ومن ثم، في المصفوفة الفضية، تحتوي هذه المواضع على كل عنصر من \(S\) مرة واحدة بالضبط.
(a) لنفترض وجود مصفوفة فضية. لكل \(s\in S\)، ليكن \(d_s\) عدد العناصر القطرية التي تساوي \(s\)، وليكن \(e_s\) عدد العناصر خارج القطر التي تساوي \(s\).
نعدّ مرات ظهور \(s\) في اتحادات الصف ذي الرقم \(i\) والعمود ذي الرقم \(i\)، ونجمع على جميع \(i=1,\ldots,n\). يحتوي كل اتحاد على \(s\) مرة واحدة بالضبط، فيكون العدد \(n\). ويُحسب كل ظهور على القطر مرة واحدة، في حين يُحسب كل ظهور خارج القطر في الموضع \((i,j)\) مرتين: في الاتحاد ذي الدليل \(i\) وفي الاتحاد ذي الدليل \(j\). ومن ثم \[ n=d_s+2e_s. \]
إذا كان \(n=1997\)، فإن كل \(d_s\) فردي، وبالتالي لا يقل عن \(1\). ومن ثم \[ 1997=\sum_{s\in S}d_s\ge |S|=3993, \] وهذا تناقض. إذن لا توجد مصفوفة فضية عندما \(n=1997\).
(b) نثبت وجود مصفوفة فضية لكل \(n=2^k\)، حيث \(k\) عدد صحيح غير سالب.
المصفوفة \((1)\) فضية، وهو ما يعطينا الحالة \(n=1\). ويبقى أن نبيّن كيفية إنشاء مصفوفة فضية من الرتبة \(2n\) انطلاقًا من مصفوفة فضية من الرتبة \(n\).
لتكن \(A\) مصفوفة فضية من الرتبة \(n\). لكل \(1\le i,j\le n\)، ليكن \(r_{ij}\) باقي قسمة \(i+j-2\) على \(n\)، ونعرّف \[ B_{ij}=2n+r_{ij}, \qquad C_{ij}=3n+r_{ij}. \] في أي صف أو عمود ثابت، تأخذ البواقي \(r_{ij}\) القيم \(0,1,\ldots,n-1\) كلًا منها مرة واحدة بالضبط. لذلك يحتوي كل صف وكل عمود من \(B\) على الأعداد \[ 2n,2n+1,\ldots,3n-1, \] بالضبط، ويحتوي كل صف وكل عمود من \(C\) على الأعداد \[ 3n,3n+1,\ldots,4n-1. \] بالضبط.
نعتبر المصفوفة من الرتبة \(2n\times2n\) \[ M= \begin{pmatrix} A&B\\ C&A \end{pmatrix}. \] جميع عناصرها تنتمي إلى \(\{1,2,\ldots,4n-1\}\).
لكل \(1\le i\le n\)، يحتوي الصف ذو الرقم \(i\) والعمود ذو الرقم \(i\) من \(M\) معًا على الصف والعمود المناظرين من نسخة \(A\) في الجزء العلوي الأيسر، والصف ذي الرقم \(i\) من \(B\)، والعمود ذي الرقم \(i\) من \(C\). وهذه تحتوي، على الترتيب، على جميع عناصر \[ \{1,\ldots,2n-1\},\qquad \{2n,\ldots,3n-1\},\qquad \{3n,\ldots,4n-1\}. \]
وبالمثل، يحتوي الصف ذو الرقم \(n+i\) والعمود ذو الرقم \(n+i\) على الصف والعمود المناظرين من نسخة \(A\) في الجزء السفلي الأيمن، والصف ذي الرقم \(i\) من \(C\)، والعمود ذي الرقم \(i\) من \(B\)، ولذلك يحتويان أيضًا على جميع عناصر \(\{1,\ldots,4n-1\}\).
إذن \(M\) فضية. وبتكرار تطبيق هذا الإنشاء نحصل على مصفوفات فضية من الرتب \[ 1,2,4,8,\ldots, \] مما يثبت وجود عدد لا نهائي من الرتب الممكنة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.