IMO 2000 · Problem 4
100 cards are numbered 1 to 100 (each card different) and placed in 3 boxes (at least one card in each box). How many ways can this be done so that if two boxes are selected and a card is taken from each, then the knowledge of their sum alone is always sufficient to identify the third box?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{12} \]
Solution
The required condition is equivalent to the following: whenever two pairs of cards have the same sum and each pair comes from two different boxes, both pairs must use the same two boxes.
Choose a shortest interval of consecutive cards \[ a,a+1,\ldots,b \] containing cards from all three boxes. Denote the boxes containing \(a\) and \(b\) by \(A\) and \(C\), respectively. By minimality, removing either endpoint must remove a box entirely from the interval. Thus \(A\ne C\), neither endpoint’s box occurs in the interior, and all cards \[ a+1,\ldots,b-1 \] lie in the third box \(B\). In particular, \(b-a\ge2\).
We distinguish two cases.
Case 1: \(b-a=2\).
There are three consecutive cards in three different boxes. We show that this forces the box assignment to repeat with period \(3\).
Suppose \(x,x+1,x+2\) lie in distinct boxes \(X,Y,Z\). If \(x+3\le100\), consider \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] The right-hand pair uses boxes \(Y,Z\). If \(x+3\) were outside \(X\), the left-hand pair would use two different boxes, including \(X\), contradicting the required condition. Therefore \(x+3\) lies in \(X\).
Similarly, if \(x>1\), then \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] forces \(x-1\) to lie in \(Z\).
Applying these observations repeatedly in both directions shows that the three boxes are exactly the three residue classes modulo \(3\), assigned to the boxes in some order.
Every such assignment works: the sums of cards from residue classes \(\{0,1\}\), \(\{0,2\}\), and \(\{1,2\}\) are congruent to \(1,2,0\pmod3\), respectively. Hence the sum identifies the unused box. There are \[ 3!=6 \] such assignments.
Case 2: \(b-a\ge3\).
We show that \(a=1\) and \(b=100\).
Suppose \(a>1\). In the equality \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] the right-hand pair uses boxes \(A,B\), while \(b\) lies in \(C\). Consequently, \(a-1\) must also lie in \(C\); otherwise the left-hand pair would use a different pair of boxes.
But then the three consecutive cards \(a-1,a,a+1\) lie in \(C,A,B\), respectively. This contradicts our choice of a shortest interval containing all three boxes, since the chosen interval has at least four cards. Thus \(a=1\).
Likewise, if \(b<100\), the equality \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] forces \(b+1\) to lie in \(A\). The three consecutive cards \(b-1,b,b+1\) would then lie in \(B,C,A\), again contradicting minimality. Hence \(b=100\).
Thus the boxes contain \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] in some order.
Every such assignment works. The sums from the three possible pairs of boxes lie, respectively, in \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] which are disjoint. There are again \(3!=6\) assignments.
The two cases exhaust all possibilities. Their assignments are distinct, since the second case has singleton boxes whereas the first does not. Therefore the total is \[ 6+6=\boxed{12}. \]
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2000 · Aufgabe 4
100 Karten sind mit den Zahlen 1 bis 100 nummeriert (jede Karte trägt eine andere Zahl) und werden auf 3 Schachteln verteilt (mindestens eine Karte in jeder Schachtel). Auf wie viele Arten ist dies so möglich, dass bei der Auswahl zweier Schachteln und der Entnahme je einer Karte daraus die Kenntnis ihrer Summe allein stets ausreicht, um die dritte Schachtel zu bestimmen?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{12} \]
Lösung
Die geforderte Bedingung ist äquivalent zu folgender Aussage: Haben zwei Kartenpaare dieselbe Summe und stammen die Karten jedes Paares aus zwei verschiedenen Schachteln, so müssen beide Paare dieselben beiden Schachteln verwenden.
Wir wählen ein kürzestes Intervall aufeinanderfolgender Karten \[ a,a+1,\ldots,b \] , das Karten aus allen drei Schachteln enthält. Die Schachteln, die \(a\) beziehungsweise \(b\) enthalten, bezeichnen wir mit \(A\) beziehungsweise \(C\). Wegen der Minimalität muss beim Entfernen eines beliebigen der beiden Endpunkte eine Schachtel vollständig aus dem Intervall verschwinden. Somit ist \(A\ne C\), keine der Schachteln der Endpunkte kommt im Inneren vor, und alle Karten \[ a+1,\ldots,b-1 \] liegen in der dritten Schachtel \(B\). Insbesondere gilt \(b-a\ge2\).
Wir unterscheiden zwei Fälle.
Fall 1: \(b-a=2\).
Es gibt drei aufeinanderfolgende Karten in drei verschiedenen Schachteln. Wir zeigen, dass dadurch die Zuordnung zu den Schachteln periodisch mit Periode \(3\) sein muss.
Angenommen, \(x,x+1,x+2\) liegen in verschiedenen Schachteln \(X,Y,Z\). Falls \(x+3\le100\), betrachten wir \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] Das rechte Paar verwendet die Schachteln \(Y,Z\). Läge \(x+3\) nicht in \(X\), so würde das linke Paar zwei verschiedene Schachteln verwenden, darunter \(X\), im Widerspruch zur geforderten Bedingung. Daher liegt \(x+3\) in \(X\).
Ebenso erzwingt für \(x>1\) die Gleichung \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] , dass \(x-1\) in \(Z\) liegt.
Wendet man diese Beobachtungen wiederholt in beiden Richtungen an, so folgt, dass die drei Schachteln genau die drei Restklassen modulo \(3\) enthalten, die den Schachteln in irgendeiner Reihenfolge zugeordnet sind.
Jede solche Zuordnung erfüllt die Bedingung: Die Summen von Karten aus den Restklassen \(\{0,1\}\), \(\{0,2\}\) und \(\{1,2\}\) sind jeweils kongruent zu \(1,2,0\pmod3\). Somit bestimmt die Summe die unbenutzte Schachtel. Es gibt \[ 3!=6 \] solche Zuordnungen.
Fall 2: \(b-a\ge3\).
Wir zeigen, dass \(a=1\) und \(b=100\).
Angenommen, \(a>1\). In der Gleichung \[ (a-1)+b=a+(b-1) \] verwendet das rechte Paar die Schachteln \(A,B\), während \(b\) in \(C\) liegt. Folglich muss auch \(a-1\) in \(C\) liegen; andernfalls würde das linke Paar ein anderes Schachtelpaar verwenden.
Dann liegen aber die drei aufeinanderfolgenden Karten \(a-1,a,a+1\) in \(C,A,B\). Dies widerspricht unserer Wahl eines kürzesten Intervalls, das alle drei Schachteln enthält, denn das gewählte Intervall enthält mindestens vier Karten. Somit gilt \(a=1\).
Ebenso erzwingt für \(b<100\) die Gleichung \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] , dass \(b+1\) in \(A\) liegt. Die drei aufeinanderfolgenden Karten \(b-1,b,b+1\) lägen dann in \(B,C,A\), wiederum im Widerspruch zur Minimalität. Daher gilt \(b=100\).
Somit enthalten die Schachteln \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] in irgendeiner Reihenfolge.
Jede solche Zuordnung erfüllt die Bedingung. Die Summen aus den drei möglichen Schachtelpaaren liegen jeweils in \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] und diese Mengen sind paarweise disjunkt. Es gibt wiederum \(3!=6\) Zuordnungen.
Die beiden Fälle erfassen alle Möglichkeiten. Ihre Zuordnungen sind verschieden, da im zweiten Fall Schachteln mit nur einer Karte vorkommen, im ersten dagegen nicht. Daher beträgt die Gesamtzahl \[ 6+6=\boxed{12}. \]
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2000 · Soru 4
100 kart, 1'den 100'e kadar numaralandırılmıştır (her kart farklıdır) ve 3 kutuya yerleştirilecektir (her kutuda en az bir kart bulunacaktır). İki kutu seçilip her birinden bir kart alındığında, yalnızca bu kartların numaralarının toplamını bilmek üçüncü kutuyu belirlemek için her zaman yeterli olacak şekilde bu işlem kaç farklı yolla yapılabilir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{12} \]
Çözüm
İstenen koşul şu ifadeye eş değerdir: İki kart çiftinin toplamları aynı olduğunda ve her çift iki farklı kutudan geldiğinde, her iki çift de aynı iki kutudan gelmelidir.
Üç kutunun her birinden kart içeren en kısa ardışık kart aralığını \[ a,a+1,\ldots,b \] seçelim. \(a\) ve \(b\)'yi içeren kutuları sırasıyla \(A\) ve \(C\) ile gösterelim. Aralığın en kısa olması nedeniyle, uçlardan herhangi biri çıkarıldığında, bir kutunun aralıktaki tüm kartları çıkarılmış olmalıdır. Dolayısıyla \(A\ne C\)'dir, uçlardaki kartların kutularından hiçbirinin aralığın iç kısmında kartı yoktur ve \[ a+1,\ldots,b-1 \] kartlarının tümü üçüncü kutu olan \(B\)'dedir. Özellikle, \(b-a\ge2\)'dir.
İki durumu ayıralım.
Durum 1: \(b-a=2\).
Üç farklı kutuda bulunan üç ardışık kart vardır. Bunun, kartların kutulara dağılımını \(3\) periyotlu olmaya zorladığını gösterelim.
\(x,x+1,x+2\)'nin birbirinden farklı \(X,Y,Z\) kutularında bulunduğunu varsayalım. \(x+3\le100\) ise \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2) \] eşitliğini ele alalım. Sağdaki çift \(Y,Z\) kutularından gelir. \(x+3\), \(X\)'in dışında olsaydı, soldaki çift biri \(X\) olmak üzere iki farklı kutudan gelirdi ve bu, istenen koşulla çelişirdi. Bu nedenle \(x+3\), \(X\)'tedir.
Benzer şekilde, \(x>1\) ise \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] eşitliği, \(x-1\)'in \(Z\)'de olmasını zorunlu kılar.
Bu gözlemleri her iki yönde tekrar tekrar uygulamak, üç kutunun tam olarak \(3\) modülündeki üç kalan sınıfını bir sırayla içerdiğini gösterir.
Bu tür her dağılım koşulu sağlar: \(\{0,1\}\), \(\{0,2\}\) ve \(\{1,2\}\) kalan sınıflarından gelen kartların toplamları sırasıyla \(1,2,0\pmod3\)'e denktir. Böylece toplam, kullanılmayan kutuyu belirler. Bu tür \[ 3!=6 \] dağılım vardır.
Durum 2: \(b-a\ge3\).
\(a=1\) ve \(b=100\) olduğunu gösterelim.
\(a>1\) olduğunu varsayalım. \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] eşitliğinde sağdaki çift \(A,B\) kutularından gelirken \(b\), \(C\)'dedir. Dolayısıyla \(a-1\) de \(C\)'de olmalıdır; aksi hâlde soldaki çift farklı bir kutu çiftinden gelirdi.
Ancak bu durumda \(a-1,a,a+1\) ardışık üç kartı sırasıyla \(C,A,B\)'de bulunur. Seçilen aralık en az dört kart içerdiğinden, bu, üç kutunun her birinden kart içeren en kısa aralığı seçmiş olmamızla çelişir. Dolayısıyla \(a=1\)'dir.
Benzer şekilde, \(b<100\) ise \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] eşitliği, \(b+1\)'in \(A\)'da olmasını zorunlu kılar. Bu durumda \(b-1,b,b+1\) ardışık üç kartı \(B,C,A\)'da bulunur ve yine aralığın en kısa olmasıyla çelişir. Dolayısıyla \(b=100\)'dür.
Böylece kutular, bir sırayla, \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] kümelerini içerir.
Bu tür her dağılım koşulu sağlar. Olası üç kutu çiftinden elde edilen toplamlar sırasıyla \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] kümelerinde yer alır ve bu kümeler ayrıktır. Yine \(3!=6\) dağılım vardır.
İki durum tüm olasılıkları kapsar. İkinci durumda tek kartlı kutular bulunurken birinci durumda bulunmadığından, bu durumlara ait dağılımlar birbirinden farklıdır. Dolayısıyla toplam sayı \[ 6+6=\boxed{12} \] olur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2000 · Problema 4
Se numeran 100 tarjetas del 1 al 100 (todas distintas) y se colocan en 3 cajas (con al menos una tarjeta en cada caja). ¿De cuántas maneras puede hacerse esto de modo que, si se eligen dos cajas y se toma una tarjeta de cada una, el conocimiento de su suma baste siempre para identificar la tercera caja?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{12} \]
Solución
La condición exigida equivale a lo siguiente: siempre que dos pares de tarjetas tengan la misma suma y cada par proceda de dos cajas distintas, ambos pares deben utilizar las mismas dos cajas.
Elijamos un intervalo de tarjetas consecutivas de longitud mínima \[ a,a+1,\ldots,b \] que contenga tarjetas de las tres cajas. Denotemos por \(A\) y \(C\) las cajas que contienen \(a\) y \(b\), respectivamente. Por la minimalidad, al eliminar cualquiera de los extremos, una de las cajas debe dejar de estar representada en el intervalo. Por tanto, \(A\ne C\), ninguna de las cajas de los extremos aparece en el interior, y todas las tarjetas \[ a+1,\ldots,b-1 \] están en la tercera caja \(B\). En particular, \(b-a\ge2\).
Distinguimos dos casos.
Caso 1: \(b-a=2\).
Hay tres tarjetas consecutivas en tres cajas distintas. Demostramos que esto obliga a que la asignación de cajas se repita con período \(3\).
Supongamos que \(x,x+1,x+2\) están en cajas distintas \(X,Y,Z\). Si \(x+3\le100\), consideremos \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] El par del miembro derecho utiliza las cajas \(Y,Z\). Si \(x+3\) no estuviera en \(X\), el par del miembro izquierdo utilizaría dos cajas distintas, entre ellas \(X\), contradiciendo la condición exigida. Por tanto, \(x+3\) está en \(X\).
Análogamente, si \(x>1\), entonces \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] obliga a que \(x-1\) esté en \(Z\).
Aplicando estas observaciones repetidamente en ambas direcciones, vemos que las tres cajas contienen exactamente las tres clases de residuos módulo \(3\), asignadas a las cajas en algún orden.
Toda asignación de este tipo cumple la condición: las sumas de tarjetas de las clases de residuos \(\{0,1\}\), \(\{0,2\}\) y \(\{1,2\}\) son congruentes con \(1,2,0\pmod3\), respectivamente. Por tanto, la suma identifica la caja no utilizada. Hay \[ 3!=6 \] asignaciones de este tipo.
Caso 2: \(b-a\ge3\).
Demostramos que \(a=1\) y \(b=100\).
Supongamos que \(a>1\). En la igualdad \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] el par del miembro derecho utiliza las cajas \(A,B\), mientras que \(b\) está en \(C\). En consecuencia, \(a-1\) también debe estar en \(C\); de lo contrario, el par del miembro izquierdo utilizaría un par de cajas diferente.
Pero entonces las tres tarjetas consecutivas \(a-1,a,a+1\) están en \(C,A,B\), respectivamente. Esto contradice nuestra elección de un intervalo de longitud mínima que contenga tarjetas de las tres cajas, pues el intervalo elegido tiene al menos cuatro tarjetas. Por tanto, \(a=1\).
Del mismo modo, si \(b<100\), la igualdad \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] obliga a que \(b+1\) esté en \(A\). Las tres tarjetas consecutivas \(b-1,b,b+1\) estarían entonces en \(B,C,A\), lo que contradice de nuevo la minimalidad. Por tanto, \(b=100\).
Así, las cajas contienen \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] en algún orden.
Toda asignación de este tipo cumple la condición. Las sumas correspondientes a los tres pares posibles de cajas pertenecen, respectivamente, a \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] que son conjuntos disjuntos. De nuevo hay \(3!=6\) asignaciones.
Los dos casos agotan todas las posibilidades. Sus asignaciones son distintas, pues en el segundo caso hay cajas con una sola tarjeta, mientras que en el primero no. Por tanto, el total es \[ 6+6=\boxed{12}. \]
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2000 · 问题 4
将 100 张分别编号为 1 到 100 的卡片(每张卡片各不相同)放入 3 个盒子中(每个盒子中至少有一张卡片)。有多少种放法满足下述条件:任意选取两个盒子,并从每个盒子中各取一张卡片,仅知道这两张卡片上的数之和,就总能确定第三个盒子?
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{12} \]
解答
题目要求的条件等价于:只要两对卡片上的数之和相等,且每对卡片均来自两个不同的盒子,那么这两对卡片就必须来自同样的两个盒子。
选取一个包含三个盒子中卡片的最短连续编号区间: \[ a,a+1,\ldots,b \] 将包含 \(a\) 和 \(b\) 的盒子分别记为 \(A\) 和 \(C\)。由最短性,去掉任一端点后,区间中必定不再有某个盒子的卡片。因此 \(A\ne C\),两个端点所在盒子的卡片均不出现在区间内部,且所有卡片 \[ a+1,\ldots,b-1 \] 都位于第三个盒子 \(B\) 中。特别地,\(b-a\ge2\)。
我们分两种情况讨论。
情况 1:\(b-a=2\)。
有三张编号连续的卡片分别位于三个不同的盒子中。我们证明,这迫使卡片所属盒子的安排以 \(3\) 为周期重复。
假设 \(x,x+1,x+2\) 分别位于不同的盒子 \(X,Y,Z\) 中。若 \(x+3\le100\),考虑 \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] 右边的一对卡片来自盒子 \(Y,Z\)。若 \(x+3\) 不在 \(X\) 中,则左边的一对卡片来自两个不同的盒子,且其中一个是 \(X\),这与题目要求的条件矛盾。因此,\(x+3\) 位于 \(X\) 中。
类似地,若 \(x>1\),则 \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] 迫使 \(x-1\) 位于 \(Z\) 中。
向两个方向反复应用上述结论,可知三个盒子恰好分别装着模 \(3\) 的三个剩余类中的卡片,这三个剩余类按某种顺序分配给三个盒子。
每一种这样的安排都满足条件:来自剩余类 \(\{0,1\}\)、\(\{0,2\}\) 和 \(\{1,2\}\) 的两张卡片上的数之和分别同余于 \(1,2,0\pmod3\)。因此,由这个和可以确定未被选取的盒子。这样的安排共有 \[ 3!=6 \] 种。
情况 2:\(b-a\ge3\)。
我们证明 \(a=1\) 且 \(b=100\)。
假设 \(a>1\)。在等式 \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] 中,右边的一对卡片来自盒子 \(A,B\),而 \(b\) 位于 \(C\) 中。因此,\(a-1\) 也必须位于 \(C\) 中;否则,左边的一对卡片就会来自另一对盒子。
但这样一来,编号连续的三张卡片 \(a-1,a,a+1\) 就分别位于 \(C,A,B\) 中。这与我们选取的是包含三个盒子中卡片的最短区间相矛盾,因为所选区间至少含有四张卡片。因此 \(a=1\)。
同样地,若 \(b<100\),则等式 \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] 迫使 \(b+1\) 位于 \(A\) 中。这样,编号连续的三张卡片 \(b-1,b,b+1\) 就分别位于 \(B,C,A\) 中,再次与最短性矛盾。因此 \(b=100\)。
所以,三个盒子中所装的卡片按某种顺序分别为: \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\} \]
每一种这样的安排都满足条件。从三种可能的盒子对中取出的两张卡片上的数之和分别位于 \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] 这三个集合互不相交。同样有 \(3!=6\) 种安排。
这两种情况穷尽了所有可能性。它们的安排互不相同,因为第二种情况中存在只装一张卡片的盒子,而第一种情况中不存在。因此,总数为 \[ 6+6=\boxed{12}. \]
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2000 · Задача 4
100 карточек пронумерованы числами от 1 до 100 (все карточки различны) и разложены по 3 коробкам (в каждой коробке есть хотя бы одна карточка). Сколькими способами можно это сделать так, чтобы при выборе двух коробок и извлечении по одной карточке из каждой знание только суммы их номеров всегда позволяло определить третью коробку?
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{12} \]
Решение
Требуемое условие равносильно следующему: если две пары карточек имеют одинаковую сумму номеров и каждая пара взята из двух разных коробок, то обе пары должны быть взяты из одной и той же пары коробок.
Выберем кратчайший отрезок последовательных карточек \[ a,a+1,\ldots,b \] содержащий карточки из всех трёх коробок. Обозначим коробки, содержащие \(a\) и \(b\), через \(A\) и \(C\) соответственно. В силу минимальности при удалении любого из концов отрезка в нём должны полностью исчезнуть карточки одной из коробок. Поэтому \(A\ne C\), внутри отрезка нет карточек ни из одной из коробок, содержащих его концы, а все карточки \[ a+1,\ldots,b-1 \] лежат в третьей коробке \(B\). В частности, \(b-a\ge2\).
Рассмотрим два случая.
Случай 1: \(b-a=2\).
Имеются три последовательные карточки, лежащие в трёх разных коробках. Покажем, что тогда распределение карточек по коробкам повторяется с периодом \(3\).
Пусть \(x,x+1,x+2\) лежат в различных коробках \(X,Y,Z\). Если \(x+3\le100\), рассмотрим равенство \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] Пара справа взята из коробок \(Y,Z\). Если бы \(x+3\) лежала не в \(X\), то пара слева была бы взята из двух разных коробок, одна из которых — \(X\), вопреки требуемому условию. Следовательно, \(x+3\) лежит в \(X\).
Аналогично, если \(x>1\), то равенство \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] вынуждает карточку \(x-1\) лежать в \(Z\).
Многократно применяя эти наблюдения в обоих направлениях, получаем, что содержимое трёх коробок — в точности три класса вычетов по модулю \(3\), распределённые по коробкам в некотором порядке.
Любое такое распределение подходит: суммы номеров карточек из классов вычетов \(\{0,1\}\), \(\{0,2\}\) и \(\{1,2\}\) сравнимы с \(1,2,0\pmod3\) соответственно. Следовательно, сумма определяет неиспользованную коробку. Имеется \[ 3!=6 \] таких распределений.
Случай 2: \(b-a\ge3\).
Покажем, что \(a=1\) и \(b=100\).
Пусть \(a>1\). В равенстве \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] пара справа взята из коробок \(A,B\), тогда как \(b\) лежит в \(C\). Следовательно, \(a-1\) тоже должна лежать в \(C\); иначе пара слева была бы взята из другой пары коробок.
Но тогда три последовательные карточки \(a-1,a,a+1\) лежат в \(C,A,B\) соответственно. Это противоречит выбору кратчайшего отрезка, содержащего карточки из всех трёх коробок, поскольку выбранный отрезок содержит хотя бы четыре карточки. Значит, \(a=1\).
Аналогично, если \(b<100\), то равенство \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] вынуждает карточку \(b+1\) лежать в \(A\). Тогда три последовательные карточки \(b-1,b,b+1\) лежали бы в \(B,C,A\), что вновь противоречит минимальности. Следовательно, \(b=100\).
Таким образом, коробки содержат \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] в некотором порядке.
Любое такое распределение подходит. Суммы для трёх возможных пар коробок принадлежат соответственно множествам \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] которые попарно не пересекаются. Снова получаем \(3!=6\) распределений.
Эти два случая исчерпывают все возможности. Соответствующие им распределения различны, поскольку во втором случае есть коробки с одной карточкой, а в первом таких коробок нет. Поэтому общее число равно \[ 6+6=\boxed{12}. \]
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2000 · المسألة 4
رُقّمت 100 بطاقة بالأعداد من 1 إلى 100 (برقم مختلف لكل بطاقة)، ووُضعت في 3 صناديق (في كل صندوق بطاقة واحدة على الأقل). بكم طريقة يمكن فعل ذلك بحيث إذا اختير صندوقان وأُخذت بطاقة من كل منهما، كانت معرفة مجموع رقميهما وحده كافية دائمًا لتحديد الصندوق الثالث؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{12} \]
الحل
يكافئ الشرط المطلوب ما يأتي: كلما كان لزوجين من البطاقات المجموع نفسه، وكانت بطاقتا كل زوج من صندوقين مختلفين، وجب أن يكون الزوجان من الصندوقين نفسيهما.
نختار أقصر فترة من البطاقات المتتالية \[ a,a+1,\ldots,b \] تحتوي على بطاقات من الصناديق الثلاثة جميعًا. نرمز إلى الصندوقين اللذين يحتويان على \(a\) و\(b\) بـ\(A\) و\(C\)، على الترتيب. وبحكم أقصرية الفترة، لا بد أن تؤدي إزالة أي من طرفيها إلى اختفاء أحد الصناديق تمامًا من الفترة. إذن \(A\ne C\)، ولا توجد في داخل الفترة بطاقة من صندوق أي من الطرفين، وجميع البطاقات \[ a+1,\ldots,b-1 \] تقع في الصندوق الثالث \(B\). وبخاصة، \(b-a\ge2\).
نميز حالتين.
الحالة 1: \(b-a=2\).
توجد ثلاث بطاقات متتالية في ثلاثة صناديق مختلفة. سنبيّن أن هذا يفرض تكرار توزيع البطاقات على الصناديق بدور \(3\).
لنفترض أن \(x,x+1,x+2\) تقع في صناديق مختلفة \(X,Y,Z\). إذا كان \(x+3\le100\)، فلننظر في \[ x+(x+3)=(x+1)+(x+2). \] يستخدم الزوج في الطرف الأيمن الصندوقين \(Y,Z\). ولو كانت \(x+3\) خارج \(X\)، لاستخدم الزوج في الطرف الأيسر صندوقين مختلفين، أحدهما \(X\)، مما يناقض الشرط المطلوب. لذلك تقع \(x+3\) في \(X\).
وبالمثل، إذا كان \(x>1\)، فإن \[ (x-1)+(x+2)=x+(x+1) \] تفرض أن تقع \(x-1\) في \(Z\).
بتطبيق هاتين الملاحظتين مرارًا في الاتجاهين، نجد أن محتويات الصناديق الثلاثة هي بالضبط أصناف البواقي الثلاثة بترديد \(3\)، موزعة على الصناديق بترتيب ما.
كل توزيع من هذا النوع يحقق الشرط: فمجاميع البطاقات المأخوذة من أصناف البواقي \(\{0,1\}\) و\(\{0,2\}\) و\(\{1,2\}\) توافق \(1,2,0\pmod3\)، على الترتيب. ومن ثم يحدد المجموع الصندوق الذي لم يُستخدم. وعدد هذه التوزيعات هو \[ 3!=6 \] توزيعات.
الحالة 2: \(b-a\ge3\).
سنبيّن أن \(a=1\) و\(b=100\).
لنفترض أن \(a>1\). في المساواة \[ (a-1)+b=a+(b-1), \] يستخدم الزوج في الطرف الأيمن الصندوقين \(A,B\)، بينما تقع \(b\) في \(C\). ومن ثم لا بد أن تقع \(a-1\) أيضًا في \(C\)؛ وإلا لاستخدم الزوج في الطرف الأيسر زوجًا مختلفًا من الصناديق.
ولكن عندئذ تقع البطاقات الثلاث المتتالية \(a-1,a,a+1\) في \(C,A,B\)، على الترتيب. وهذا يناقض اختيارنا أقصر فترة تحتوي على الصناديق الثلاثة جميعًا، لأن الفترة المختارة تضم أربع بطاقات على الأقل. إذن \(a=1\).
وبالمثل، إذا كان \(b<100\)، فإن المساواة \[ a+(b+1)=(a+1)+b \] تفرض أن تقع \(b+1\) في \(A\). وعندئذ تقع البطاقات الثلاث المتتالية \(b-1,b,b+1\) في \(B,C,A\)، مما يناقض الأقصرية مرة أخرى. ومن ثم \(b=100\).
إذن تحتوي الصناديق على \[ \{1\},\qquad \{2,3,\ldots,99\},\qquad \{100\}, \] بترتيب ما.
كل توزيع من هذا النوع يحقق الشرط. فالمجاميع الناتجة من أزواج الصناديق الثلاثة الممكنة تقع، على الترتيب، في \[ \{3,\ldots,100\},\qquad \{101\},\qquad \{102,\ldots,199\}, \] وهي مجموعات منفصلة (لا تشترك في أي عنصر). وعدد التوزيعات هنا أيضًا \(3!=6\).
تستنفد الحالتان جميع الإمكانات. وتوزيعاتهما مختلفة، لأن الحالة الثانية تتضمن صناديق ذات بطاقة واحدة، بخلاف الحالة الأولى. لذلك يكون العدد الكلي \[ 6+6=\boxed{12}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.