IMO 1999 · Problem 3
Consider an \(n \times n\) square board, where \(n\) is a fixed even positive integer. The board is divided into \(n^2\) unit squares. We say that two different squares on the board are adjacent if they have a common side.
\(N\) unit squares on the board are marked in such a way that every square (marked or unmarked) on the board is adjacent to at least one marked square.
Determine the smallest possible value of \(N\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
Solution
Write \(n=2k\). We will construct a set \(T\) of \(k(k+1)\) squares such that every square has exactly one neighbour in \(T\). This property will also give the required lower bound.
Label the squares \((i,j)\), where \(1\le i,j\le n\), and colour a square black when \(i+j\) is even and white otherwise.
Define a set \(A\) of black squares by the following rule:
- On each diagonal \(i+j\equiv n\pmod 4\) with \(i+j\le n\), select the squares whose two coordinates are odd.
- On each diagonal \(i+j\equiv n\pmod 4\) with \(i+j>n\), select the squares whose two coordinates are even.
We claim that every white square has exactly one neighbour in \(A\).
Indeed, let \((i,j)\) be white and put \(t=i+j\), which is odd. Exactly one of \(t-1,t+1\) is congruent to \(n\pmod4\); call it \(s\). Only neighbours on the diagonal with coordinate sum \(s\) can belong to \(A\).
There are two potential neighbours on this diagonal. If both lie on the board, one has two odd coordinates and the other has two even coordinates. Thus exactly one belongs to \(A\), according as \(s\le n\) or \(s>n\).
It remains to check the boundary:
- If \(s=t-1\) and a potential neighbour lies outside the board, then \(i=1\) or \(j=1\). Consequently \(s\le n\), and the remaining neighbour has two odd coordinates, so it belongs to \(A\).
- If \(s=t+1\) and a potential neighbour lies outside the board, then \(i=n\) or \(j=n\). Consequently \(s>n\), and the remaining neighbour has two even coordinates, so it belongs to \(A\).
Both potential neighbours cannot lie outside: this would require the square to be \((1,1)\) or \((n,n)\), both of which are black. The claim follows.
Now reflect \(A\) across the vertical midline of the board, obtaining \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] Since \(n\) is even, this reflection interchanges black and white squares and preserves adjacency. Hence \(A'\) consists of white squares, and every black square has exactly one neighbour in \(A'\).
Therefore \[ T=A\cup A' \] has the desired property: every square has exactly one neighbour in \(T\). In particular, marking precisely \(T\) satisfies the condition, including for the marked squares themselves.
We next count \(T\). For an even diagonal sum \(s\le n\), there are \(s/2\) squares with two odd coordinates. For an even sum \(s>n\), there are \(n-s/2+1\) squares with two even coordinates. Thus the diagonals \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] contribute respectively \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] squares to \(A\), while the diagonals \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] contribute \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots. \] Each list stops before its terms become nonpositive. Together their terms are precisely \(1,2,\ldots,k\). Hence \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
Finally, consider any valid marking with \(N\) marked squares. Count pairs \((t,m)\) in which \(t\in T\) and \(m\) is a marked square adjacent to \(t\).
Every \(t\in T\) must have a marked neighbour, so there are at least \(|T|\) such pairs. On the other hand, every marked square has exactly one neighbour in \(T\), so there are exactly \(N\) pairs. Consequently \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] The construction attains this bound, completing the proof.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1999 · Aufgabe 3
Betrachte ein quadratisches \(n \times n\)-Brett, wobei \(n\) eine feste gerade positive ganze Zahl ist. Das Brett ist in \(n^2\) Einheitsquadrate unterteilt. Zwei verschiedene Quadrate auf dem Brett heißen benachbart, wenn sie eine gemeinsame Seite haben.
Auf dem Brett werden \(N\) Einheitsquadrate so markiert, dass jedes Quadrat (markiert oder unmarkiert) auf dem Brett zu mindestens einem markierten Quadrat benachbart ist.
Bestimme den kleinstmöglichen Wert von \(N\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
Lösung
Schreibe \(n=2k\). Wir konstruieren eine Menge \(T\) aus \(k(k+1)\) Quadraten, sodass jedes Quadrat genau einen Nachbarn in \(T\) hat. Diese Eigenschaft liefert auch die benötigte untere Schranke.
Bezeichne die Quadrate mit \((i,j)\), wobei \(1\le i,j\le n\), und färbe ein Quadrat schwarz, wenn \(i+j\) gerade ist, und andernfalls weiß.
Definiere eine Menge \(A\) schwarzer Quadrate durch folgende Regel:
- Wähle auf jeder Diagonalen \(i+j\equiv n\pmod 4\) mit \(i+j\le n\) die Quadrate aus, deren beide Koordinaten ungerade sind.
- Wähle auf jeder Diagonalen \(i+j\equiv n\pmod 4\) mit \(i+j>n\) die Quadrate aus, deren beide Koordinaten gerade sind.
Wir behaupten, dass jedes weiße Quadrat genau einen Nachbarn in \(A\) hat.
Sei dazu \((i,j)\) weiß, und setze \(t=i+j\), was ungerade ist. Genau eine der Zahlen \(t-1,t+1\) ist kongruent zu \(n\pmod4\); bezeichne sie mit \(s\). Nur Nachbarn auf der Diagonalen mit Koordinatensumme \(s\) können zu \(A\) gehören.
Auf dieser Diagonalen gibt es zwei mögliche Nachbarn. Liegen beide auf dem Brett, so hat einer zwei ungerade Koordinaten und der andere zwei gerade Koordinaten. Somit gehört genau einer zu \(A\), je nachdem, ob \(s\le n\) oder \(s>n\) gilt.
Es bleibt, den Rand zu überprüfen:
- Ist \(s=t-1\) und liegt ein möglicher Nachbar außerhalb des Bretts, so gilt \(i=1\) oder \(j=1\). Folglich ist \(s\le n\), und der verbleibende Nachbar hat zwei ungerade Koordinaten, gehört also zu \(A\).
- Ist \(s=t+1\) und liegt ein möglicher Nachbar außerhalb des Bretts, so gilt \(i=n\) oder \(j=n\). Folglich ist \(s>n\), und der verbleibende Nachbar hat zwei gerade Koordinaten, gehört also zu \(A\).
Beide möglichen Nachbarn können nicht außerhalb liegen: Dafür müsste das Quadrat \((1,1)\) oder \((n,n)\) sein, die beide schwarz sind. Damit ist die Behauptung bewiesen.
Spiegle nun \(A\) an der vertikalen Mittellinie des Bretts und erhalte \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] Da \(n\) gerade ist, vertauscht diese Spiegelung schwarze und weiße Quadrate und erhält die Nachbarschaft. Also besteht \(A'\) aus weißen Quadraten, und jedes schwarze Quadrat hat genau einen Nachbarn in \(A'\).
Somit hat \[ T=A\cup A' \] die gewünschte Eigenschaft: Jedes Quadrat hat genau einen Nachbarn in \(T\). Insbesondere erfüllt die Markierung genau der Quadrate aus \(T\) die Bedingung, auch für die markierten Quadrate selbst.
Als Nächstes bestimmen wir die Anzahl der Quadrate in \(T\). Bei einer geraden Diagonalensumme \(s\le n\) gibt es \(s/2\) Quadrate mit zwei ungeraden Koordinaten. Bei einer geraden Summe \(s>n\) gibt es \(n-s/2+1\) Quadrate mit zwei geraden Koordinaten. Somit tragen die Diagonalen \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] jeweils \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] Quadrate zu \(A\) bei, während die Diagonalen \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] jeweils \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots \] Quadrate beitragen. Jede Liste endet, bevor ihre Glieder nichtpositiv werden. Zusammen sind ihre Glieder genau \(1,2,\ldots,k\). Daher gilt \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
Betrachte schließlich eine beliebige zulässige Markierung mit \(N\) markierten Quadraten. Zähle die Paare \((t,m)\), bei denen \(t\in T\) gilt und \(m\) ein zu \(t\) benachbartes markiertes Quadrat ist.
Jedes \(t\in T\) muss einen markierten Nachbarn haben, also gibt es mindestens \(|T|\) solche Paare. Andererseits hat jedes markierte Quadrat genau einen Nachbarn in \(T\), also gibt es genau \(N\) Paare. Folglich gilt \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] Die Konstruktion erreicht diese Schranke, womit der Beweis abgeschlossen ist.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1999 · Soru 3
\(n\) sabit bir pozitif çift tam sayı olmak üzere, \(n \times n\) boyutlarında kare biçiminde bir tahta verilsin. Tahta \(n^2\) birim kareye bölünmüştür. Tahtadaki iki farklı karenin ortak bir kenarı varsa bu karelere komşu diyeceğiz.
Tahtadaki \(N\) birim kare, tahtanın her karesi (işaretli ya da işaretsiz) en az bir işaretli kareye komşu olacak biçimde işaretlenmiştir.
\(N\) sayısının alabileceği en küçük değeri belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
Çözüm
\(n=2k\) yazalım. \(k(k+1)\) kareden oluşan ve her karenin \(T\) içinde tam olarak bir komşusu olması özelliğini sağlayan bir \(T\) kümesi oluşturacağız. Bu özellik istenen alt sınırı da verecektir.
Kareleri \(1\le i,j\le n\) olmak üzere \((i,j)\) ile adlandıralım ve \(i+j\) çift olduğunda kareyi siyaha, aksi hâlde beyaza boyayalım.
Siyah karelerden oluşan bir \(A\) kümesini aşağıdaki kuralla tanımlayalım:
- \(i+j\le n\) olan her \(i+j\equiv n\pmod 4\) köşegeni üzerinde, her iki koordinatı da tek olan kareleri seçelim.
- \(i+j>n\) olan her \(i+j\equiv n\pmod 4\) köşegeni üzerinde, her iki koordinatı da çift olan kareleri seçelim.
Her beyaz karenin \(A\) içinde tam olarak bir komşusu olduğunu iddia ediyoruz.
Gerçekten de \((i,j)\) beyaz bir kare olsun ve tek olan \(t=i+j\) sayısını ele alalım. \(t-1,t+1\) sayılarından tam olarak biri \(n\pmod4\) ile denktir; bu sayıya \(s\) diyelim. Yalnızca koordinatları toplamı \(s\) olan köşegen üzerindeki komşular \(A\) kümesine ait olabilir.
Bu köşegen üzerinde iki olası komşu vardır. Her ikisi de tahta üzerindeyse birinin her iki koordinatı tek, diğerinin her iki koordinatı çifttir. Dolayısıyla \(s\le n\) veya \(s>n\) olmasına göre bunlardan tam olarak biri \(A\) kümesine aittir.
Geriye sınır durumlarını kontrol etmek kalır:
- \(s=t-1\) ise ve olası komşulardan biri tahtanın dışında kalıyorsa \(i=1\) veya \(j=1\) olur. Dolayısıyla \(s\le n\) olur ve kalan komşunun her iki koordinatı da tektir; bu yüzden bu komşu \(A\) kümesine aittir.
- \(s=t+1\) ise ve olası komşulardan biri tahtanın dışında kalıyorsa \(i=n\) veya \(j=n\) olur. Dolayısıyla \(s>n\) olur ve kalan komşunun her iki koordinatı da çifttir; bu yüzden bu komşu \(A\) kümesine aittir.
Olası komşuların ikisi birden dışarıda kalamaz: bunun için karenin \((1,1)\) veya \((n,n)\) olması gerekir, oysa bu iki kare de siyahtır. Böylece iddia kanıtlanmış olur.
Şimdi \(A\) kümesini tahtanın düşey orta doğrusuna göre yansıtarak \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\} \] kümesini elde edelim. \(n\) çift olduğundan bu yansıma siyah ve beyaz kareleri yer değiştirir ve komşuluğu korur. Bu nedenle \(A'\) beyaz karelerden oluşur ve her siyah karenin \(A'\) içinde tam olarak bir komşusu vardır.
Dolayısıyla \[ T=A\cup A' \] istenen özelliğe sahiptir: her karenin \(T\) içinde tam olarak bir komşusu vardır. Özellikle, tam olarak \(T\) kümesindeki kareleri işaretlemek, işaretli karelerin kendileri de dâhil olmak üzere koşulu sağlar.
Şimdi \(T\) kümesinin eleman sayısını hesaplayalım. Çift bir \(s\le n\) köşegen toplamı için, her iki koordinatı da tek olan \(s/2\) kare vardır. Çift bir \(s>n\) toplamı için, her iki koordinatı da çift olan \(n-s/2+1\) kare vardır. Böylece \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] köşegenleri \(A\) kümesine sırasıyla \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] kare katarken, \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] köşegenleri \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots \] kare katar. Her liste, terimleri pozitif olmaktan çıkmadan önce sona erer. İki listenin terimleri birlikte tam olarak \(1,2,\ldots,k\) sayılarıdır. Bu nedenle \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
Son olarak, \(N\) işaretli karesi olan ve koşulu sağlayan herhangi bir işaretlemeyi ele alalım. \(t\in T\) ve \(m\), \(t\) karesine komşu işaretli bir kare olmak üzere \((t,m)\) çiftlerini sayalım.
Her \(t\in T\) karesinin işaretli bir komşusu bulunması gerektiğinden, böyle en az \(|T|\) çift vardır. Öte yandan, her işaretli karenin \(T\) içinde tam olarak bir komşusu vardır; dolayısıyla tam olarak \(N\) çift vardır. Sonuç olarak \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] Yaptığımız oluşturma bu sınıra ulaşır ve böylece kanıt tamamlanır.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1999 · Problema 3
Consideremos un tablero cuadrado de \(n \times n\), donde \(n\) es un entero positivo par fijo. El tablero está dividido en \(n^2\) casillas de lado unidad. Diremos que dos casillas distintas del tablero son adyacentes si tienen un lado en común.
Se marcan \(N\) casillas del tablero de manera que toda casilla (marcada o no marcada) del tablero es adyacente a al menos una casilla marcada.
Determinar el menor valor posible de \(N\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
Solución
Escribamos \(n=2k\). Construiremos un conjunto \(T\) de \(k(k+1)\) casillas tal que toda casilla tenga exactamente una casilla adyacente en \(T\). Esta propiedad también dará la cota inferior requerida.
Etiquetemos las casillas como \((i,j)\), donde \(1\le i,j\le n\), y coloreemos una casilla de negro cuando \(i+j\) sea par y de blanco en caso contrario.
Definamos un conjunto \(A\) de casillas negras mediante la siguiente regla:
- En cada diagonal \(i+j\equiv n\pmod 4\) con \(i+j\le n\), seleccionamos las casillas cuyas dos coordenadas son impares.
- En cada diagonal \(i+j\equiv n\pmod 4\) con \(i+j>n\), seleccionamos las casillas cuyas dos coordenadas son pares.
Afirmamos que toda casilla blanca tiene exactamente una casilla adyacente en \(A\).
En efecto, sea \((i,j)\) una casilla blanca y pongamos \(t=i+j\), que es impar. Exactamente uno de \(t-1,t+1\) es congruente con \(n\pmod4\); llamémoslo \(s\). Solo las casillas adyacentes situadas en la diagonal cuya suma de coordenadas es \(s\) pueden pertenecer a \(A\).
Hay dos posibles casillas adyacentes en esta diagonal. Si ambas están en el tablero, una tiene sus dos coordenadas impares y la otra tiene sus dos coordenadas pares. Por tanto, exactamente una pertenece a \(A\), según que \(s\le n\) o \(s>n\).
Queda comprobar lo que ocurre en el borde:
- Si \(s=t-1\) y una posible casilla adyacente queda fuera del tablero, entonces \(i=1\) o \(j=1\). Por consiguiente, \(s\le n\), y la casilla adyacente restante tiene sus dos coordenadas impares, por lo que pertenece a \(A\).
- Si \(s=t+1\) y una posible casilla adyacente queda fuera del tablero, entonces \(i=n\) o \(j=n\). Por consiguiente, \(s>n\), y la casilla adyacente restante tiene sus dos coordenadas pares, por lo que pertenece a \(A\).
Las dos posibles casillas adyacentes no pueden quedar fuera: para ello, la casilla tendría que ser \((1,1)\) o \((n,n)\), ambas negras. Queda demostrada la afirmación.
Reflejemos ahora \(A\) respecto del eje vertical que pasa por el centro del tablero, obteniendo \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] Como \(n\) es par, esta reflexión intercambia las casillas negras y blancas y conserva la adyacencia. Así pues, \(A'\) está formado por casillas blancas, y toda casilla negra tiene exactamente una casilla adyacente en \(A'\).
Por tanto, \[ T=A\cup A' \] tiene la propiedad deseada: toda casilla tiene exactamente una casilla adyacente en \(T\). En particular, marcar precisamente las casillas de \(T\) satisface la condición, también para las propias casillas marcadas.
Contemos ahora las casillas de \(T\). Para una suma par de coordenadas \(s\le n\), hay \(s/2\) casillas con sus dos coordenadas impares. Para una suma par \(s>n\), hay \(n-s/2+1\) casillas con sus dos coordenadas pares. Así, las diagonales \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] aportan, respectivamente, \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] casillas a \(A\), mientras que las diagonales \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] aportan \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots. \] Cada lista termina antes de que sus términos dejen de ser positivos. En conjunto, sus términos son precisamente \(1,2,\ldots,k\). Por tanto, \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
Finalmente, consideremos cualquier marcado válido con \(N\) casillas marcadas. Contemos los pares \((t,m)\) en los que \(t\in T\) y \(m\) es una casilla marcada adyacente a \(t\).
Toda \(t\in T\) debe tener una casilla marcada adyacente, por lo que hay al menos \(|T|\) pares de este tipo. Por otro lado, toda casilla marcada tiene exactamente una casilla adyacente en \(T\), por lo que hay exactamente \(N\) pares. Por consiguiente, \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] La construcción alcanza esta cota, lo que completa la demostración.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1999 · 问题 3
考虑一块 \(n \times n\) 的正方形棋盘,其中 \(n\) 是一个固定的正偶数。棋盘被分成 \(n^2\) 个单位正方形。如果棋盘上两个不同的方格有一条公共边,就称它们相邻。
在棋盘上标记 \(N\) 个单位方格,使棋盘上的每个方格(无论是否被标记)都与至少一个被标记的方格相邻。
求 \(N\) 的最小可能值。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
解答
记 \(n=2k\)。我们将构造一个含有 \(k(k+1)\) 个方格的集合 \(T\),使得每个方格都恰好与 \(T\) 中的一个方格相邻。这一性质也将给出所需的下界。
将方格标记为 \((i,j)\),其中 \(1\le i,j\le n\),并将 \(i+j\) 为偶数的方格染成黑色,其余方格染成白色。
按如下规则定义黑色方格的集合 \(A\):
- 在满足 \(i+j\equiv n\pmod 4\) 且 \(i+j\le n\) 的每条对角线上,选取两个坐标均为奇数的方格。
- 在满足 \(i+j\equiv n\pmod 4\) 且 \(i+j>n\) 的每条对角线上,选取两个坐标均为偶数的方格。
我们断言,每个白色方格都恰好与 \(A\) 中的一个方格相邻。
事实上,设 \((i,j)\) 为白色方格,并令 \(t=i+j\),则 \(t\) 为奇数。\(t-1,t+1\) 中恰有一个与 \(n\pmod4\) 同余,记为 \(s\)。只有坐标和为 \(s\) 的对角线上的相邻方格才可能属于 \(A\)。
这条对角线上有两个可能的相邻方格。若它们都在棋盘内,则其中一个的两个坐标均为奇数,另一个的两个坐标均为偶数。因此,根据 \(s\le n\) 还是 \(s>n\),其中恰有一个属于 \(A\)。
还需检查边界情形:
- 若 \(s=t-1\),且一个可能的相邻方格位于棋盘外,则 \(i=1\) 或 \(j=1\)。于是 \(s\le n\),且剩下的相邻方格的两个坐标均为奇数,所以它属于 \(A\)。
- 若 \(s=t+1\),且一个可能的相邻方格位于棋盘外,则 \(i=n\) 或 \(j=n\)。于是 \(s>n\),且剩下的相邻方格的两个坐标均为偶数,所以它属于 \(A\)。
这两个可能的相邻方格不可能都在棋盘外:否则原方格必须为 \((1,1)\) 或 \((n,n)\),而这两个方格都是黑色的。断言得证。
现在将 \(A\) 关于棋盘的竖直中线作轴对称,得到 \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] 由于 \(n\) 为偶数,这个轴对称变换交换黑、白方格,并保持相邻关系。因此,\(A'\) 由白色方格组成,且每个黑色方格都恰好与 \(A'\) 中的一个方格相邻。
所以 \[ T=A\cup A' \] 具有所需的性质:每个方格都恰好与 \(T\) 中的一个方格相邻。特别地,恰好将 \(T\) 中的方格标记,就满足题目条件,被标记的方格本身也不例外。
接下来计算 \(T\) 的大小。对于偶数对角线坐标和 \(s\le n\),两个坐标均为奇数的方格共有 \(s/2\) 个。对于偶数坐标和 \(s>n\),两个坐标均为偶数的方格共有 \(n-s/2+1\) 个。因此,对角线 \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] 分别为 \(A\) 提供 \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] 个方格,而对角线 \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] 提供的方格数依次为 \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots. \] 每个数列都在其项变为非正数之前停止。两者的各项合在一起恰好为 \(1,2,\ldots,k\)。因此 \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
最后,考虑任意一种满足条件、标记了 \(N\) 个方格的方案。计算有序对 \((t,m)\) 的个数,其中 \(t\in T\),而 \(m\) 是与 \(t\) 相邻的一个被标记方格。
每个 \(t\in T\) 都必须与一个被标记方格相邻,因此这样的有序对至少有 \(|T|\) 个。另一方面,每个被标记方格都恰好与 \(T\) 中的一个方格相邻,因此这样的有序对恰有 \(N\) 个。于是 \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] 上述构造达到了这个下界,证明完毕。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1999 · Задача 3
Рассмотрим квадратную доску размера \(n \times n\), где \(n\) — фиксированное чётное положительное целое число. Доска разделена на \(n^2\) единичных клеток. Две различные клетки доски будем называть соседними, если у них есть общая сторона.
На доске отмечены \(N\) клеток так, что каждая клетка доски (отмеченная или неотмеченная) соседствует хотя бы с одной отмеченной клеткой.
Найдите наименьшее возможное значение \(N\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
Решение
Положим \(n=2k\). Мы построим множество \(T\) из \(k(k+1)\) клеток такое, что у каждой клетки есть ровно одна соседняя клетка из \(T\). Это свойство также даст требуемую нижнюю оценку.
Обозначим клетки через \((i,j)\), где \(1\le i,j\le n\), и покрасим клетку в чёрный цвет, если \(i+j\) чётно, и в белый — в противном случае.
Определим множество \(A\) чёрных клеток следующим образом:
- На каждой диагонали \(i+j\equiv n\pmod 4\), для которой \(i+j\le n\), выберем клетки с обеими нечётными координатами.
- На каждой диагонали \(i+j\equiv n\pmod 4\), для которой \(i+j>n\), выберем клетки с обеими чётными координатами.
Утверждается, что у каждой белой клетки есть ровно одна соседняя клетка из \(A\).
Действительно, пусть \((i,j)\) — белая клетка, и положим \(t=i+j\); это число нечётно. Ровно одно из чисел \(t-1,t+1\) сравнимо с \(n\pmod4\); обозначим его через \(s\). Принадлежать \(A\) могут только соседние клетки, лежащие на диагонали с суммой координат \(s\).
На этой диагонали есть два возможных положения соседних клеток. Если обе клетки находятся на доске, то у одной обе координаты нечётны, а у другой — чётны. Поэтому ровно одна из них принадлежит \(A\), в зависимости от того, выполнено ли \(s\le n\) или \(s>n\).
Остаётся проверить граничные случаи:
- Если \(s=t-1\) и одна из двух возможных соседних клеток находится за пределами доски, то \(i=1\) или \(j=1\). Следовательно, \(s\le n\), а у оставшейся соседней клетки обе координаты нечётны, поэтому она принадлежит \(A\).
- Если \(s=t+1\) и одна из двух возможных соседних клеток находится за пределами доски, то \(i=n\) или \(j=n\). Следовательно, \(s>n\), а у оставшейся соседней клетки обе координаты чётны, поэтому она принадлежит \(A\).
Обе возможные соседние клетки не могут находиться за пределами доски: для этого исходная клетка должна быть \((1,1)\) или \((n,n)\), а обе эти клетки чёрные. Утверждение доказано.
Теперь отразим \(A\) относительно вертикальной средней линии доски, получив \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] Поскольку \(n\) чётно, это отражение меняет местами чёрные и белые клетки и сохраняет отношение соседства. Значит, \(A'\) состоит из белых клеток, и у каждой чёрной клетки есть ровно одна соседняя клетка из \(A'\).
Таким образом, множество \[ T=A\cup A' \] обладает нужным свойством: у каждой клетки есть ровно одна соседняя клетка из \(T\). В частности, если отметить в точности клетки из \(T\), условие будет выполнено, в том числе и для самих отмеченных клеток.
Теперь подсчитаем число клеток в \(T\). На диагонали с чётной суммой координат \(s\le n\) имеется \(s/2\) клеток с обеими нечётными координатами. При чётной сумме \(s>n\) имеется \(n-s/2+1\) клеток с обеими чётными координатами. Таким образом, диагонали \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] дают соответственно \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] клеток множества \(A\), а диагонали \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] дают \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots. \] Каждый список обрывается перед первым неположительным членом. Вместе их члены составляют в точности числа \(1,2,\ldots,k\). Значит, \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
Наконец, рассмотрим любую расстановку \(N\) отмеченных клеток, удовлетворяющую условию. Подсчитаем пары \((t,m)\), в которых \(t\in T\), а \(m\) — отмеченная клетка, соседняя с \(t\).
У каждой \(t\in T\) должна быть отмеченная соседняя клетка, поэтому таких пар не меньше \(|T|\). С другой стороны, у каждой отмеченной клетки есть ровно одна соседняя клетка из \(T\), поэтому пар ровно \(N\). Следовательно, \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] В построенной расстановке эта оценка достигается, что завершает доказательство.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1999 · المسألة 3
لتكن لدينا رقعة مربعة من القياس \(n \times n\)، حيث \(n\) عدد صحيح موجب زوجي ثابت. قُسمت الرقعة إلى \(n^2\) مربعًا وحديًّا. نقول إن مربعين مختلفين على الرقعة متجاوران إذا كان لهما ضلع مشترك.
وُضعت علامات على \(N\) مربعًا وحديًّا من الرقعة، بحيث يكون كل مربع على الرقعة (سواء أكان معلَّمًا أم غير معلَّم) مجاورًا لمربع معلَّم واحد على الأقل.
أوجد أصغر قيمة ممكنة لـ\(N\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{N_{\min}=\frac{n(n+2)}4}. \]
الحل
نكتب \(n=2k\). سننشئ مجموعة \(T\) مؤلفة من \(k(k+1)\) مربعًا بحيث يكون لكل مربع جار واحد بالضبط في \(T\). وستعطينا هذه الخاصية أيضًا الحد الأدنى المطلوب.
نرمز إلى المربعات بـ\((i,j)\)، حيث \(1\le i,j\le n\)، ونلوّن المربع بالأسود إذا كان \(i+j\) زوجيًّا، وبالأبيض خلاف ذلك.
نعرّف مجموعة \(A\) من المربعات السوداء وفق القاعدة الآتية:
- على كل قطر \(i+j\equiv n\pmod 4\) يحقق \(i+j\le n\)، نختار المربعات التي يكون كلا إحداثييها فرديًّا.
- على كل قطر \(i+j\equiv n\pmod 4\) يحقق \(i+j>n\)، نختار المربعات التي يكون كلا إحداثييها زوجيًّا.
ندّعي أن لكل مربع أبيض جارًا واحدًا بالضبط في \(A\).
بالفعل، ليكن \((i,j)\) مربعًا أبيض، ولنضع \(t=i+j\)، وهو عدد فردي. أحد العددين \(t-1,t+1\) فقط يطابق \(n\pmod4\)؛ ولنسمِّه \(s\). ولا يمكن أن ينتمي إلى \(A\) إلا الجيران الواقعون على القطر الذي يساوي مجموع إحداثييه \(s\).
يوجد موضعان محتملان لجارين على هذا القطر. إذا وقع كلاهما على الرقعة، فإن أحدهما له إحداثيان فرديان والآخر له إحداثيان زوجيان. ومن ثم ينتمي أحدهما بالضبط إلى \(A\)، بحسب ما إذا كان \(s\le n\) أو \(s>n\).
يبقى التحقق عند الحدود:
- إذا كان \(s=t-1\) ووقع أحد موضعي الجارين المحتملين خارج الرقعة، فإن \(i=1\) أو \(j=1\). وبالتالي \(s\le n\)، وللجار المتبقي إحداثيان فرديان، فينتمي إلى \(A\).
- إذا كان \(s=t+1\) ووقع أحد موضعي الجارين المحتملين خارج الرقعة، فإن \(i=n\) أو \(j=n\). وبالتالي \(s>n\)، وللجار المتبقي إحداثيان زوجيان، فينتمي إلى \(A\).
لا يمكن أن يقع موضعا الجارين المحتملين كلاهما خارج الرقعة: إذ يقتضي ذلك أن يكون المربع هو \((1,1)\) أو \((n,n)\)، وكلاهما أسود. وبذلك يثبت الادعاء.
نعكس الآن \(A\) حول خط المنتصف الرأسي للرقعة، فنحصل على \[ A'=\{(i,n+1-j):(i,j)\in A\}. \] بما أن \(n\) زوجي، فإن هذا الانعكاس يبادل بين المربعات السوداء والبيضاء ويحفظ التجاور. ومن ثم تتكون \(A'\) من مربعات بيضاء، ولكل مربع أسود جار واحد بالضبط في \(A'\).
إذن \[ T=A\cup A' \] لها الخاصية المطلوبة: لكل مربع جار واحد بالضبط في \(T\). وعلى وجه الخصوص، فإن تعليم مربعات \(T\) وحدها يحقق الشرط، بما في ذلك للمربعات المعلَّمة نفسها.
نحسب الآن عدد عناصر \(T\). لكل مجموع إحداثيين زوجي \(s\le n\) على قطر، يوجد \(s/2\) مربعًا له إحداثيان فرديان. ولكل مجموع زوجي \(s>n\)، يوجد \(n-s/2+1\) مربعًا له إحداثيان زوجيان. لذا فإن الأقطار \[ i+j=n,\ n-4,\ n-8,\ldots \] تسهم، على الترتيب، بـ \[ k,\ k-2,\ k-4,\ldots \] مربعًا في \(A\)، في حين تسهم الأقطار \[ i+j=n+4,\ n+8,\ n+12,\ldots \] بـ \[ k-1,\ k-3,\ k-5,\ldots. \] تتوقف كل قائمة قبل أن تصبح حدودها غير موجبة. وحدود القائمتين مجتمعة هي بالضبط \(1,2,\ldots,k\). ومن ثم \[ |A|=\frac{k(k+1)}2, \qquad |T|=2|A|=k(k+1). \]
أخيرًا، لننظر في أي تعليم يحقق الشرط ويضم \(N\) مربعًا معلَّمًا. نعدّ الأزواج \((t,m)\) التي يكون فيها \(t\in T\) ويكون \(m\) مربعًا معلَّمًا مجاورًا لـ\(t\).
يجب أن يكون لكل \(t\in T\) جار معلَّم، ولذلك يوجد ما لا يقل عن \(|T|\) من هذه الأزواج. ومن ناحية أخرى، لكل مربع معلَّم جار واحد بالضبط في \(T\)، ولذلك يوجد \(N\) زوجًا بالضبط. وبالتالي \[ N\ge |T|=k(k+1)=\frac{n(n+2)}4. \] يحقق الإنشاء هذا الحد، وبذلك يكتمل البرهان.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.