IMO 2000 · Problem 3
\(k\) is a positive real. \(N\) is an integer greater than 1. \(N\) points are placed on a line, not all coincident. A move is carried out as follows. Pick any two points \(A\) and \(B\) which are not coincident. Suppose that \(A\) lies to the right of \(B\). Replace \(B\) by another point \(B'\) to the right of \(A\) such that \(AB' = kBA\). For what values of \(k\) can we move the points arbitrarily far to the right by repeated moves?
Restatement of the problem, as in John Scholes' Kalva archive; the official wording is in the official problem paper. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
Solution
Give the line a coordinate increasing to the right. For any configuration, let \(M\) be its maximum coordinate and \(S\) the sum of its \(N\) coordinates, counting coincident points separately.
Impossibility when \(k<1/(N-1)\). Define \[ F=(1+k)M-kS. \] Consider any legal move using coordinates \(b<a\), and put \(d=a-b>0\). The new coordinate is \[ b'=a+kd, \] so the sum increases by \((1+k)d\). Since \(a\le M\), the maximum increases by at most \(kd\). Consequently, \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] Thus \(F\) never increases.
On the other hand, \(S\le NM\), and hence \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] Writing \(F_0\) for the initial value, we obtain \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] The denominator is positive, so this is a fixed upper bound for every point under every sequence of moves. The required motion is therefore impossible.
Construction when \(k\ge1/(N-1)\). At each step, choose a leftmost point and move it across a rightmost point. Write \(m\) for the current minimum and \(D=M-m\) for the diameter. The new point has coordinate \[ M+kD. \] Initially \(D>0\), and each such move places a point strictly beyond all the others, so \(D>0\) remains true and the strategy can continue indefinitely.
Consider \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] Its initial value \(T_0\) is positive because the initial points are not all coincident. Under our chosen move, \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] Therefore \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] In particular, \(T\ge T_0>0\) throughout.
At least one summand in \(T\) is zero, and every other summand is at most \(D\). Thus \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] Every move consequently increases the maximum by at least \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] Hence the maximum tends to \(+\infty\).
Finally, fix any target coordinate \(R\). Continue until the maximum exceeds \(R\), and denote that maximum by \(M_*\). During the next \(N\) moves, every newly placed point lies strictly beyond \(M_*\). As long as any point from the configuration at that moment remains unmoved, its coordinate is at most \(M_*\), so a leftmost point must be one of those unmoved points. Thus these \(N\) moves move every point beyond \(M_*>R\).
This proves the claim for all initial configurations, including those with coincident points, and includes the boundary value \(k=1/(N-1)\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2000 · Aufgabe 3
\(k\) ist eine positive reelle Zahl. \(N\) ist eine ganze Zahl größer als 1. Auf einer Geraden liegen \(N\) Punkte, die nicht alle zusammenfallen. Ein Zug wird folgendermaßen ausgeführt. Man wählt zwei beliebige Punkte \(A\) und \(B\), die nicht zusammenfallen. Dabei liege \(A\) rechts von \(B\). Man ersetzt \(B\) durch einen anderen Punkt \(B'\) rechts von \(A\), sodass \(AB' = kBA\). Für welche Werte von \(k\) können wir die Punkte durch wiederholte Züge beliebig weit nach rechts bewegen?
Umformulierung der Aufgabe nach John Scholes' Kalva-Archiv; den offiziellen Wortlaut enthält das offizielle Aufgabenblatt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
Lösung
Wir versehen die Gerade mit einer nach rechts wachsenden Koordinate. Für jede Konfiguration sei \(M\) die größte Koordinate und \(S\) die Summe ihrer \(N\) Koordinaten, wobei zusammenfallende Punkte einzeln gezählt werden.
Unmöglichkeit für \(k<1/(N-1)\). Wir definieren \[ F=(1+k)M-kS. \] Wir betrachten einen beliebigen zulässigen Zug mit den Koordinaten \(b<a\) und setzen \(d=a-b>0\). Die neue Koordinate ist \[ b'=a+kd, \] also wächst die Summe um \((1+k)d\). Wegen \(a\le M\) wächst das Maximum um höchstens \(kd\). Folglich gilt \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] Somit nimmt \(F\) niemals zu.
Andererseits gilt \(S\le NM\) und daher \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] Bezeichnen wir den Anfangswert mit \(F_0\), so erhalten wir \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] Der Nenner ist positiv, also ist dies eine feste obere Schranke für jeden Punkt bei jeder Zugfolge. Die verlangte Bewegung ist daher unmöglich.
Konstruktion für \(k\ge1/(N-1)\). Bei jedem Schritt wählen wir einen am weitesten links liegenden Punkt und bewegen ihn über einen am weitesten rechts liegenden Punkt hinweg. Wir bezeichnen das aktuelle Minimum mit \(m\) und den Durchmesser mit \(D=M-m\). Der neue Punkt hat die Koordinate \[ M+kD. \] Anfangs gilt \(D>0\), und jeder solche Zug setzt einen Punkt strikt rechts von allen anderen, sodass \(D>0\) weiterhin gilt und die Strategie unbegrenzt fortgesetzt werden kann.
Wir betrachten \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] Der Anfangswert \(T_0\) ist positiv, da die Punkte anfangs nicht alle zusammenfallen. Bei dem von uns gewählten Zug gilt \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] Daher ist \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] Insbesondere gilt stets \(T\ge T_0>0\).
Mindestens ein Summand in \(T\) ist null, und jeder andere Summand ist höchstens \(D\). Somit gilt \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] Jeder Zug vergrößert das Maximum folglich um mindestens \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] Das Maximum strebt daher gegen \(+\infty\).
Schließlich sei eine beliebige Zielkoordinate \(R\) fest vorgegeben. Wir fahren fort, bis das Maximum \(R\) übersteigt, und bezeichnen dieses Maximum mit \(M_*\). Während der nächsten \(N\) Züge liegt jeder neu gesetzte Punkt strikt rechts von \(M_*\). Solange noch ein Punkt aus der zu diesem Zeitpunkt vorliegenden Konfiguration unbewegt geblieben ist, ist seine Koordinate höchstens \(M_*\), sodass ein am weitesten links liegender Punkt einer dieser noch nicht bewegten Punkte sein muss. Somit bringen diese \(N\) Züge jeden Punkt rechts von \(M_*>R\).
Damit ist die Behauptung für alle Anfangskonfigurationen bewiesen, auch für solche mit zusammenfallenden Punkten, und der Grenzwert \(k=1/(N-1)\) ist eingeschlossen.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2000 · Soru 3
\(k\) pozitif bir gerçel sayıdır. \(N\), 1'den büyük bir tam sayıdır. Bir doğru üzerine, hepsi birden çakışmayan \(N\) nokta yerleştirilmiştir. Bir hamle şu şekilde yapılır. Çakışmayan herhangi iki \(A\) ve \(B\) noktası seçilir. \(A\)'nın \(B\)'nin sağında bulunduğunu varsayalım. \(B\) yerine, \(A\)'nın sağında ve \(AB' = kBA\) koşulunu sağlayan başka bir \(B'\) noktası konur. \(k\)'nın hangi değerleri için, hamleleri tekrarlayarak noktaları sağa doğru istenildiği kadar uzağa taşıyabiliriz?
Sorunun John Scholes'un Kalva arşivindeki yeniden ifadesi; resmi metin resmi soru kâğıdındadır. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
Çözüm
Doğru üzerinde sağa doğru artan bir koordinat sistemi seçelim. Herhangi bir yerleşim için, en büyük koordinata \(M\), çakışan noktaları ayrı ayrı sayarak \(N\) koordinatın toplamına da \(S\) diyelim.
\(k<1/(N-1)\) iken olanaksızlık. \[ F=(1+k)M-kS \] olarak tanımlayalım. Koordinatları \(b<a\) olan noktalarla yapılan herhangi bir geçerli hamleyi ele alalım ve \(d=a-b>0\) diyelim. Yeni koordinat \[ b'=a+kd, \] olduğundan toplam \((1+k)d\) kadar artar. \(a\le M\) olduğundan en büyük koordinat en fazla \(kd\) kadar artar. Sonuç olarak, \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] Dolayısıyla \(F\) hiçbir zaman artmaz.
Öte yandan \(S\le NM\) olduğundan, \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] Başlangıç değerini \(F_0\) ile gösterirsek, \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k} \] elde ederiz. Payda pozitiftir; dolayısıyla bu, her hamle dizisinde her nokta için sabit bir üst sınırdır. Bu nedenle istenen hareket olanaksızdır.
\(k\ge1/(N-1)\) iken bir yöntem. Her adımda en soldaki noktalardan birini seçip en sağdaki noktalardan birinin ötesine taşıyalım. O andaki en küçük koordinatı \(m\), çapı da \(D=M-m\) ile gösterelim. Yeni noktanın koordinatı \[ M+kD \] olur. Başlangıçta \(D>0\)'dır ve bu tür her hamle bir noktayı diğerlerinin hepsinin kesin olarak sağına yerleştirir; dolayısıyla \(D>0\) geçerliliğini korur ve bu yöntem süresiz olarak sürdürülebilir.
\[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i) \] ifadesini ele alalım. Başlangıçtaki noktaların hepsi birden çakışmadığından, başlangıç değeri \(T_0\) pozitiftir. Seçtiğimiz hamle sonucunda, \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D \] olur. Bu nedenle \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] Özellikle, süreç boyunca \(T\ge T_0>0\) olur.
\(T\)'deki terimlerden en az biri sıfırdır ve diğer her terim en fazla \(D\)'dir. Dolayısıyla \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] Bunun sonucunda her hamle, en büyük koordinatı en az \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0 \] kadar artırır. Böylece en büyük koordinat \(+\infty\)'a gider.
Son olarak, herhangi bir \(R\) hedef koordinatı sabitleyelim. En büyük koordinat \(R\)'yi aşana kadar devam edelim ve bu en büyük koordinatı \(M_*\) ile gösterelim. Sonraki \(N\) hamle boyunca, yeni yerleştirilen her nokta \(M_*\)'ın kesin olarak sağında bulunur. O andaki yerleşimde bulunan noktalardan herhangi biri henüz taşınmamış olduğu sürece, bu noktanın koordinatı en fazla \(M_*\)'dır; dolayısıyla en soldaki bir nokta, henüz taşınmamış bu noktalardan biri olmak zorundadır. Böylece bu \(N\) hamle her noktayı \(M_*>R\)'nin ötesine taşır.
Bu, çakışan noktalar içerenler de dâhil olmak üzere tüm başlangıç yerleşimleri için iddiayı kanıtlar ve \(k=1/(N-1)\) sınır değerini de kapsar.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2000 · Problema 3
\(k\) es un número real positivo. \(N\) es un entero mayor que 1. Se sitúan \(N\) puntos en una recta, no todos coincidentes. Un movimiento se realiza de la siguiente manera. Se eligen dos puntos cualesquiera \(A\) y \(B\) que no coincidan. Supongamos que \(A\) está a la derecha de \(B\). Se sustituye \(B\) por otro punto \(B'\) a la derecha de \(A\) tal que \(AB' = kBA\). ¿Para qué valores de \(k\) podemos desplazar los puntos arbitrariamente lejos hacia la derecha mediante movimientos sucesivos?
Reformulación del problema según el archivo Kalva de John Scholes; el enunciado oficial está en el documento oficial. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
Solución
Dotemos a la recta de una coordenada que crezca hacia la derecha. Para cualquier configuración, sea \(M\) su coordenada máxima y \(S\) la suma de sus \(N\) coordenadas, contando por separado los puntos coincidentes.
Imposibilidad cuando \(k<1/(N-1)\). Definamos \[ F=(1+k)M-kS. \] Consideremos cualquier movimiento permitido que utilice coordenadas \(b<a\), y pongamos \(d=a-b>0\). La nueva coordenada es \[ b'=a+kd, \] por lo que la suma aumenta en \((1+k)d\). Como \(a\le M\), el máximo aumenta a lo sumo en \(kd\). En consecuencia, \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] Así pues, \(F\) nunca aumenta.
Por otra parte, \(S\le NM\), y por tanto \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] Denotando por \(F_0\) el valor inicial, obtenemos \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] El denominador es positivo, por lo que esta es una cota superior fija para todos los puntos bajo cualquier sucesión de movimientos. Por tanto, el desplazamiento requerido es imposible.
Construcción cuando \(k\ge1/(N-1)\). En cada paso, elegimos uno de los puntos situados más a la izquierda y lo movemos al otro lado de uno de los puntos situados más a la derecha. Denotemos por \(m\) el mínimo actual y por \(D=M-m\) el diámetro. El nuevo punto tiene coordenada \[ M+kD. \] Inicialmente \(D>0\), y cada uno de estos movimientos sitúa un punto estrictamente a la derecha de todos los demás, por lo que sigue cumpliéndose \(D>0\) y la estrategia puede continuar indefinidamente.
Consideremos \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] Su valor inicial \(T_0\) es positivo porque los puntos iniciales no son todos coincidentes. Con el movimiento que hemos elegido, \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] Por tanto, \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] En particular, \(T\ge T_0>0\) en todo momento.
Al menos un sumando de \(T\) es cero, y todos los demás son a lo sumo \(D\). Así, \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] En consecuencia, cada movimiento aumenta el máximo al menos en \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] Por consiguiente, el máximo tiende a \(+\infty\).
Finalmente, fijemos cualquier coordenada objetivo \(R\). Continuemos hasta que el máximo supere \(R\), y denotemos ese máximo por \(M_*\). Durante los siguientes \(N\) movimientos, cada punto recién situado queda estrictamente a la derecha de \(M_*\). Mientras quede sin mover algún punto de la configuración de ese momento, su coordenada será a lo sumo \(M_*\), de modo que un punto situado más a la izquierda debe ser uno de esos puntos que aún no se han movido. Así, estos \(N\) movimientos sitúan todos los puntos a la derecha de \(M_*>R\).
Esto demuestra la afirmación para todas las configuraciones iniciales, incluidas aquellas con puntos coincidentes, y abarca el valor límite \(k=1/(N-1)\).
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2000 · 问题 3
\(k\) 是一个正实数。\(N\) 是大于 1 的整数。在一条直线上放置 \(N\) 个点,它们不全重合。一次移动按如下方式进行:任取两个不重合的点 \(A\) 和 \(B\)。假设 \(A\) 位于 \(B\) 的右侧。将 \(B\) 替换为位于 \(A\) 右侧的另一个点 \(B'\),使得 \(AB' = kBA\)。对于哪些 \(k\) 值,我们可以通过反复移动,将这些点向右移至任意远处?
题目为 John Scholes 的 Kalva 档案中的改述;官方原文见官方试卷。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
解答
在直线上建立一个向右递增的坐标系。对于任意一种点的配置,记其最大坐标为 \(M\),其 \(N\) 个坐标之和为 \(S\),其中重合的点分别计入。
当 \(k<1/(N-1)\) 时不可能实现。 定义 \[ F=(1+k)M-kS. \] 考虑任意一次符合规则的移动,所用两点的坐标为 \(b<a\),并令 \(d=a-b>0\)。新坐标为 \[ b'=a+kd, \] 因此,坐标之和增加 \((1+k)d\)。由于 \(a\le M\),最大坐标至多增加 \(kd\)。于是 \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] 因此,\(F\) 始终不会增加。
另一方面,\(S\le NM\),所以 \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] 记初始值为 \(F_0\),可得 \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] 分母为正,因此,无论采用怎样的移动序列,这都是每个点坐标的一个固定上界。所以,所要求的移动不可能实现。
当 \(k\ge1/(N-1)\) 时的构造。 每一步都选取一个最左端的点,将它移过一个最右端的点。记当前的最小坐标为 \(m\),直径为 \(D=M-m\)。新点的坐标为 \[ M+kD. \] 初始时 \(D>0\),而每次这样的移动都会将一个点放到所有其他点的严格右侧,因此 \(D>0\) 始终成立,这一策略可以无限进行下去。
考虑 \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] 由于初始的点不全重合,其初始值 \(T_0\) 为正。在我们所选的移动下, \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] 因此 \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] 特别地,整个过程中始终有 \(T\ge T_0>0\)。
\(T\) 中至少有一个加数为零,其余每个加数至多为 \(D\)。因此 \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] 所以,每次移动使最大坐标增加的量至少为 \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] 故最大坐标趋于 \(+\infty\)。
最后,任意固定一个目标坐标 \(R\)。继续移动,直到最大坐标超过 \(R\),并将此时的最大坐标记为 \(M_*\)。在接下来的 \(N\) 次移动中,每个新放置的点都严格位于 \(M_*\) 的右侧。只要该时刻配置中的任何一个点尚未移动,它的坐标就至多为 \(M_*\),因此最左端的点必定是这些尚未移动的点之一。于是,这 \(N\) 次移动将每个点都移到了 \(M_*>R\) 的右侧。
这就对所有初始配置证明了结论,包括有重合点的配置,并且涵盖了边界值 \(k=1/(N-1)\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2000 · Задача 3
\(k\) — положительное действительное число. \(N\) — целое число, большее 1. На прямой расположены \(N\) точек, не все из которых совпадают. Ход выполняется следующим образом. Выбираются любые две несовпадающие точки \(A\) и \(B\). Пусть \(A\) лежит правее \(B\). Точка \(B\) заменяется другой точкой \(B'\), лежащей правее \(A\), так, что \(AB' = kBA\). При каких значениях \(k\) можно, повторяя такие ходы, переместить точки сколь угодно далеко вправо?
Переформулировка задачи по архиву Kalva Джона Скоулза; официальная формулировка приведена в официальном тексте задач. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
Решение
Введём на прямой координату, возрастающую вправо. Для любого расположения точек обозначим через \(M\) наибольшую координату, а через \(S\) — сумму координат всех \(N\) точек, учитывая совпадающие точки по отдельности.
Невозможность при \(k<1/(N-1)\). Положим \[ F=(1+k)M-kS. \] Рассмотрим любой допустимый ход с точками, имеющими координаты \(b<a\), и положим \(d=a-b>0\). Новая координата равна \[ b'=a+kd, \] поэтому сумма увеличивается на \((1+k)d\). Поскольку \(a\le M\), наибольшая координата увеличивается не более чем на \(kd\). Следовательно, \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] Таким образом, \(F\) никогда не увеличивается.
С другой стороны, \(S\le NM\), поэтому \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] Обозначив начальное значение через \(F_0\), получаем \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] Знаменатель положителен, поэтому это фиксированная верхняя граница для координаты любой точки при любой последовательности ходов. Следовательно, требуемое перемещение невозможно.
Построение при \(k\ge1/(N-1)\). На каждом шаге будем выбирать одну из самых левых точек и переносить её через одну из самых правых точек. Обозначим через \(m\) текущую наименьшую координату, а через \(D=M-m\) — диаметр множества точек. Новая точка имеет координату \[ M+kD. \] Вначале \(D>0\), и каждый такой ход помещает точку строго правее всех остальных, поэтому неравенство \(D>0\) сохраняется и эту стратегию можно продолжать неограниченно.
Рассмотрим \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] Начальное значение \(T_0\) положительно, поскольку исходные точки не все совпадают. При выбранном нами ходе \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] Следовательно, \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] В частности, всегда выполняется \(T\ge T_0>0\).
Хотя бы одно слагаемое в \(T\) равно нулю, а каждое из остальных не превосходит \(D\). Поэтому \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] Таким образом, каждый ход увеличивает наибольшую координату как минимум на \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] Следовательно, наибольшая координата стремится к \(+\infty\).
Наконец, зафиксируем произвольную целевую координату \(R\). Будем продолжать ходы, пока наибольшая координата не превысит \(R\), и обозначим эту наибольшую координату через \(M_*\). В течение следующих \(N\) ходов каждая перенесённая точка оказывается строго правее \(M_*\). Пока хотя бы одна точка из расположения на тот момент остаётся неперенесённой, её координата не превосходит \(M_*\), поэтому самая левая точка обязательно принадлежит к числу этих неперенесённых точек. Таким образом, за эти \(N\) ходов все точки будут перенесены правее \(M_*>R\).
Тем самым утверждение доказано для всех исходных расположений, в том числе с совпадающими точками, включая граничное значение \(k=1/(N-1)\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2000 · المسألة 3
العدد \(k\) حقيقي موجب. والعدد \(N\) صحيح أكبر من 1. وُضعت \(N\) نقطة على مستقيم، وليست كلها منطبقة. تُجرى نقلة على النحو الآتي. نختار أي نقطتين \(A\) و\(B\) غير منطبقتين. لنفترض أن \(A\) تقع إلى يمين \(B\). نستبدل بالنقطة \(B\) نقطة أخرى \(B'\) تقع إلى يمين \(A\) بحيث \(AB' = kBA\). ما قيم \(k\) التي يمكن عندها نقل النقاط إلى اليمين إلى أبعد من أي حد نختاره، بتكرار النقلات؟
إعادة صياغة للمسألة كما في أرشيف Kalva لجون سكولز؛ أما النص الرسمي ففي ورقة المسائل الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k\ge \frac{1}{N-1}}. \]
الحل
نزوّد المستقيم بإحداثي يتزايد نحو اليمين. ولكل وضع للنقاط، ليكن \(M\) أكبر إحداثي فيه و\(S\) مجموع إحداثياته الـ\(N\)، مع احتساب النقاط المنطبقة كلًّا على حدة.
الاستحالة عندما يكون \(k<1/(N-1)\). نعرّف \[ F=(1+k)M-kS. \] لننظر في أي نقلة مسموح بها تستخدم الإحداثيين \(b<a\)، ولنضع \(d=a-b>0\). الإحداثي الجديد هو \[ b'=a+kd, \] ولذا يزداد المجموع بمقدار \((1+k)d\). وبما أن \(a\le M\)، فإن أكبر إحداثي يزداد بمقدار لا يتجاوز \(kd\). ومن ثم، \[ F_{\mathrm{new}}-F \le (1+k)kd-k(1+k)d=0. \] إذن لا تزداد \(F\) أبدًا.
ومن جهة أخرى، \(S\le NM\)، وبالتالي \[ F\ge (1+k-kN)M=\bigl(1-(N-1)k\bigr)M. \] إذا رمزنا إلى القيمة الابتدائية بـ\(F_0\)، نحصل على \[ M\le \frac{F_0}{1-(N-1)k}. \] المقام موجب، ولذلك فهذا حد علوي ثابت لإحداثي كل نقطة تحت أي سلسلة من النقلات. ومن ثم تكون الحركة المطلوبة مستحيلة.
البناء عندما يكون \(k\ge1/(N-1)\). في كل خطوة، نختار نقطة في أقصى اليسار وننقلها إلى ما وراء نقطة في أقصى اليمين. نرمز إلى أصغر إحداثي حالي بـ\(m\)، وإلى القطر بـ\(D=M-m\). يكون إحداثي النقطة الجديدة \[ M+kD. \] في البداية، \(D>0\)، وكل نقلة من هذا النوع تضع نقطة إلى يمين جميع النقاط الأخرى تمامًا، ولذلك تبقى \(D>0\) صحيحة، ويمكن مواصلة هذه الاستراتيجية إلى ما لا نهاية.
لننظر في \[ T=NM-S=\sum_{i=1}^{N}(M-x_i). \] قيمته الابتدائية \(T_0\) موجبة لأن النقاط الابتدائية ليست كلها منطبقة. تحت النقلة التي اخترناها، \[ M_{\mathrm{new}}=M+kD,\qquad S_{\mathrm{new}}=S+(1+k)D. \] لذلك \[ T_{\mathrm{new}} =T+\bigl((N-1)k-1\bigr)D \ge T. \] وبخاصة، تظل \(T\ge T_0>0\) طوال العملية.
أحد حدود المجموع \(T\) على الأقل يساوي صفرًا، وكل حد آخر لا يتجاوز \(D\). إذن \[ T\le (N-1)D, \qquad D\ge \frac{T_0}{N-1}. \] ومن ثم تزيد كل نقلة أكبر إحداثي بمقدار لا يقل عن \[ kD\ge \frac{kT_0}{N-1}>0. \] وعليه يؤول أكبر إحداثي إلى \(+\infty\).
أخيرًا، نثبّت أي إحداثي مستهدف \(R\). نواصل حتى يتجاوز أكبر إحداثي \(R\)، ونرمز إلى ذلك الإحداثي الأكبر بـ\(M_*\). خلال النقلات الـ\(N\) التالية، تقع كل نقطة تُنقل إلى موضع جديد إلى يمين \(M_*\) تمامًا. وما دامت هناك نقطة من الوضع القائم في تلك اللحظة لم تُنقل بعد، فإن إحداثيها لا يتجاوز \(M_*\)، ولذلك لا بد أن تكون أي نقطة في أقصى اليسار واحدة من تلك النقاط التي لم تُنقل بعد. وهكذا تنقل هذه النقلات الـ\(N\) جميع النقاط إلى ما وراء \(M_*>R\).
وهذا يثبت الادعاء لجميع الأوضاع الابتدائية، بما فيها الأوضاع التي تتضمن نقاطًا منطبقة، ويشمل القيمة الحدية \(k=1/(N-1)\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.