IMO 2002 · Problem 1
\(S\) is the set of all \((h,k)\) with \(h,k\) non-negative integers such that \(h+k<n\). Each element of \(S\) is colored red or blue, so that if \((h,k)\) is red and \(h'\le h,k'\le k\), then \((h',k')\) is also red. A type 1 subset of \(S\) has \(n\) blue elements with different first member and a type 2 subset of \(S\) has \(n\) blue elements with different second member. Show that there are the same number of type 1 and type 2 subsets.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(c_h\) denote the number of blue points whose first coordinate is \(h\), and let \(r_k\) denote the number of blue points whose second coordinate is \(k\).
There are exactly \(n\) possible values of either coordinate, namely \(0,1,\ldots,n-1\). Thus a type 1 subset chooses exactly one blue point for each first coordinate, while a type 2 subset chooses exactly one blue point for each second coordinate. Consequently, their respective numbers are \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{and}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] We will prove that the two lists \((c_h)\) and \((r_k)\) have the same entries with the same multiplicities.
Start with every point blue. Then both lists are \[ n,n-1,\ldots,1. \] Now recolor precisely the points that are red in the given coloring, one at a time, in nondecreasing order of \(h+k\), breaking ties arbitrarily.
Consider the moment just before a point \((h,k)\) is recolored red. Every point \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] is red in the given coloring, by the hypothesis. Each has smaller coordinate sum than \((h,k)\), so each has already been recolored. Every point \((h,j)\) with \(j>k\) is still blue: if it is to be recolored at all, its larger coordinate sum places it later. Therefore the blue points with first coordinate \(h\) are exactly \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] and their number is \(n-h-k\).
The identical argument with the coordinates interchanged shows that the number of blue points with second coordinate \(k\) is also \(n-h-k\).
Thus this recoloring replaces one entry \(n-h-k\) by \(n-h-k-1\) in each of the two lists, leaving every other entry unchanged. Equality of the lists as multisets is therefore preserved at every step.
After all recolorings, the lists still have the same entries with the same multiplicities, so their products are equal. This proves the desired equality, including cases where a product is zero.
If \(n=0\) is allowed, \(S\) is empty and the empty subset is the unique subset of either type, so the conclusion also holds.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2002 · Aufgabe 1
Es sei \(S\) die Menge aller Paare \((h,k)\) nichtnegativer ganzer Zahlen \(h,k\) mit \(h+k<n\). Jedes Element von \(S\) wird rot oder blau gefärbt, sodass aus der roten Färbung von \((h,k)\) und \(h'\le h,k'\le k\) folgt, dass auch \((h',k')\) rot ist. Eine Teilmenge von \(S\) vom Typ 1 besteht aus \(n\) blauen Elementen mit paarweise verschiedenen ersten Koordinaten, und eine Teilmenge von \(S\) vom Typ 2 besteht aus \(n\) blauen Elementen mit paarweise verschiedenen zweiten Koordinaten. Zeige, dass es gleich viele Teilmengen vom Typ 1 und vom Typ 2 gibt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es bezeichne \(c_h\) die Anzahl der blauen Punkte mit erster Koordinate \(h\), und es bezeichne \(r_k\) die Anzahl der blauen Punkte mit zweiter Koordinate \(k\).
Für jede der beiden Koordinaten gibt es genau \(n\) mögliche Werte, nämlich \(0,1,\ldots,n-1\). Eine Teilmenge vom Typ 1 wählt daher für jede erste Koordinate genau einen blauen Punkt aus, während eine Teilmenge vom Typ 2 für jede zweite Koordinate genau einen blauen Punkt auswählt. Ihre jeweiligen Anzahlen sind folglich \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{und}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] Wir werden beweisen, dass die beiden Listen \((c_h)\) und \((r_k)\) dieselben Einträge mit denselben Vielfachheiten enthalten.
Zu Beginn seien alle Punkte blau. Dann lauten beide Listen \[ n,n-1,\ldots,1. \] Nun färben wir genau diejenigen Punkte um, die in der gegebenen Färbung rot sind, und zwar einzeln in nicht absteigender Reihenfolge von \(h+k\); bei gleichen Werten wählen wir die Reihenfolge beliebig.
Betrachten wir den Zeitpunkt unmittelbar bevor ein Punkt \((h,k)\) rot gefärbt wird. Jeder Punkt \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] ist nach Voraussetzung in der gegebenen Färbung rot. Jeder dieser Punkte hat eine kleinere Koordinatensumme als \((h,k)\) und wurde daher bereits umgefärbt. Jeder Punkt \((h,j)\) mit \(j>k\) ist noch blau: Falls er überhaupt umgefärbt werden soll, kommt er wegen seiner größeren Koordinatensumme erst später an die Reihe. Somit sind die blauen Punkte mit erster Koordinate \(h\) genau \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] und ihre Anzahl ist \(n-h-k\).
Dasselbe Argument mit vertauschten Koordinaten zeigt, dass die Anzahl der blauen Punkte mit zweiter Koordinate \(k\) ebenfalls \(n-h-k\) beträgt.
Dieses Umfärben ersetzt also in jeder der beiden Listen einen Eintrag \(n-h-k\) durch \(n-h-k-1\), während alle übrigen Einträge unverändert bleiben. Die Gleichheit der Listen als Multimengen bleibt daher bei jedem Schritt erhalten.
Nach allen Umfärbungen enthalten die Listen weiterhin dieselben Einträge mit denselben Vielfachheiten, also sind ihre Produkte gleich. Damit ist die gewünschte Gleichheit bewiesen, einschließlich der Fälle, in denen ein Produkt null ist.
Falls \(n=0\) zugelassen ist, ist \(S\) leer, und die leere Teilmenge ist die einzige Teilmenge jedes der beiden Typen; somit gilt die Behauptung auch dann.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2002 · Soru 1
\(S\), \(h,k\) negatif olmayan tam sayılar ve \(h+k<n\) olmak üzere tüm \((h,k)\) ikililerinin kümesidir. \(S\)'nin her elemanı kırmızıya veya maviye boyanmıştır; öyle ki \((h,k)\) kırmızı ve \(h'\le h,k'\le k\) ise \((h',k')\) de kırmızıdır. \(S\)'nin, birinci bileşenleri birbirinden farklı \(n\) mavi elemandan oluşan bir alt kümesine 1. tür, ikinci bileşenleri birbirinden farklı \(n\) mavi elemandan oluşan bir alt kümesine ise 2. tür alt küme denir. 1. tür ve 2. tür alt kümelerin sayılarının eşit olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Birinci koordinatı \(h\) olan mavi noktaların sayısını \(c_h\), ikinci koordinatı \(k\) olan mavi noktaların sayısını ise \(r_k\) ile gösterelim.
Her iki koordinatın da alabileceği tam olarak \(n\) değer vardır: \(0,1,\ldots,n-1\). Dolayısıyla 1. tür bir alt küme, her birinci koordinat için tam olarak bir mavi nokta seçerken, 2. tür bir alt küme her ikinci koordinat için tam olarak bir mavi nokta seçer. Bu nedenle bunların sayıları sırasıyla \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{ve}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] \((c_h)\) ve \((r_k)\) listelerinin aynı elemanları aynı tekrar sayılarıyla içerdiğini kanıtlayacağız.
Başlangıçta bütün noktalar mavi olsun. Bu durumda her iki liste de \[ n,n-1,\ldots,1. \] Şimdi, tam olarak verilen boyamada kırmızı olan noktaları, \(h+k\) toplamları azalmayacak sırada, eşitlik durumlarında sıralamayı keyfî seçerek, birer birer kırmızıya boyayalım.
Bir \((h,k)\) noktasının kırmızıya boyanmasından hemen önceki anı ele alalım. Varsayım gereği, \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] noktalarının her biri verilen boyamada kırmızıdır. Bunların her birinin koordinatları toplamı \((h,k)\)'ninkinden küçük olduğundan, hepsi daha önce kırmızıya boyanmıştır. \(j>k\) olan her \((h,j)\) noktası ise hâlâ mavidir: kırmızıya boyanacaksa bile, koordinatları toplamı daha büyük olduğundan sırası daha sonradır. Dolayısıyla birinci koordinatı \(h\) olan mavi noktalar tam olarak \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] noktalarıdır ve bunların sayısı \(n-h-k\)'dır.
Koordinatların yerleri değiştirilerek aynı akıl yürütme yapıldığında, ikinci koordinatı \(k\) olan mavi noktaların sayısının da \(n-h-k\) olduğu görülür.
Dolayısıyla bu boyama işlemi, her iki listedeki birer \(n-h-k\) elemanını \(n-h-k-1\) ile değiştirirken diğer tüm elemanları olduğu gibi bırakır. Böylece listelerin çoklu küme olarak eşitliği her adımda korunur.
Tüm boyama işlemleri tamamlandığında listeler hâlâ aynı elemanları aynı tekrar sayılarıyla içerir; dolayısıyla çarpımları eşittir. Bu, çarpımlardan birinin sıfır olduğu durumlar da dâhil olmak üzere, istenen eşitliği kanıtlar.
\(n=0\) değerine izin veriliyorsa, \(S\) boştur ve boş küme her iki türün de tek alt kümesidir; dolayısıyla sonuç bu durumda da geçerlidir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2002 · Problema 1
Sea \(S\) el conjunto de todos los pares \((h,k)\), donde \(h,k\) son enteros no negativos tales que \(h+k<n\). Cada elemento de \(S\) se colorea de rojo o de azul, de modo que, si \((h,k)\) es rojo y \(h'\le h,k'\le k\), entonces \((h',k')\) también es rojo. Un subconjunto de tipo 1 de \(S\) contiene \(n\) elementos azules con primeras coordenadas distintas, y un subconjunto de tipo 2 de \(S\) contiene \(n\) elementos azules con segundas coordenadas distintas. Demostrar que hay el mismo número de subconjuntos de tipo 1 y de tipo 2.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(c_h\) el número de puntos azules cuya primera coordenada es \(h\), y sea \(r_k\) el número de puntos azules cuya segunda coordenada es \(k\).
Hay exactamente \(n\) valores posibles para cada coordenada, a saber, \(0,1,\ldots,n-1\). Por tanto, un subconjunto de tipo 1 elige exactamente un punto azul para cada primera coordenada, mientras que un subconjunto de tipo 2 elige exactamente un punto azul para cada segunda coordenada. En consecuencia, sus respectivos números son \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{y}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] Demostraremos que las dos listas \((c_h)\) y \((r_k)\) tienen los mismos términos con las mismas multiplicidades.
Comencemos con todos los puntos azules. Entonces ambas listas son \[ n,n-1,\ldots,1. \] Ahora cambiemos a rojo precisamente los puntos que son rojos en la coloración dada, uno a uno, en orden no decreciente de \(h+k\), resolviendo los empates arbitrariamente.
Consideremos el instante inmediatamente anterior a cambiar a rojo un punto \((h,k)\). Todos los puntos \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] son rojos en la coloración dada, por la hipótesis. Cada uno tiene una suma de coordenadas menor que la de \((h,k)\), por lo que ya se ha cambiado su color. Todo punto \((h,j)\) con \(j>k\) sigue siendo azul: si se va a cambiar su color, su mayor suma de coordenadas lo sitúa más adelante. Por tanto, los puntos azules con primera coordenada \(h\) son exactamente \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] y su número es \(n-h-k\).
El mismo argumento, intercambiando las coordenadas, muestra que el número de puntos azules con segunda coordenada \(k\) también es \(n-h-k\).
Así, este cambio de color sustituye un término \(n-h-k\) por \(n-h-k-1\) en cada una de las dos listas, dejando inalterados todos los demás términos. Por tanto, la igualdad de las listas como multiconjuntos se conserva en cada paso.
Una vez realizados todos los cambios de color, las listas siguen teniendo los mismos términos con las mismas multiplicidades, por lo que sus productos son iguales. Esto demuestra la igualdad deseada, incluidos los casos en que un producto es cero.
Si se permite \(n=0\), \(S\) es vacío y el subconjunto vacío es el único subconjunto de cada tipo, por lo que la conclusión también se cumple.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2002 · 问题 1
设 \(S\) 是所有满足 \(h+k<n\) 的非负整数对 \((h,k)\) 组成的集合。将 \(S\) 的每个元素染成红色或蓝色,使得若 \((h,k)\) 为红色且 \(h'\le h,k'\le k\),则 \((h',k')\) 也为红色。由 \(n\) 个第一坐标互不相同的蓝色元素组成的 \(S\) 的子集称为第一类子集,由 \(n\) 个第二坐标互不相同的蓝色元素组成的 \(S\) 的子集称为第二类子集。证明:第一类子集与第二类子集的个数相同。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
用 \(c_h\) 表示第一坐标为 \(h\) 的蓝色点的个数,用 \(r_k\) 表示第二坐标为 \(k\) 的蓝色点的个数。
每个坐标都恰有 \(n\) 个可能的取值,即 \(0,1,\ldots,n-1\)。因此,第一类子集对每个第一坐标恰好选取一个蓝色点,而第二类子集对每个第二坐标恰好选取一个蓝色点。所以,这两类子集的个数分别为 \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{和}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] 我们将证明,两个数列 \((c_h)\) 与 \((r_k)\) 的各项取值及其出现次数均相同。
开始时将所有点都染成蓝色。此时两个数列都是 \[ n,n-1,\ldots,1. \] 现在,将给定染色中所有红色点按 \(h+k\) 非递减的顺序逐个改染成红色,和相等时顺序任意。
考察点 \((h,k)\) 即将被改染成红色的时刻。由题设,点 \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] 在给定染色中均为红色。它们的坐标和都小于 \((h,k)\) 的坐标和,因此都已被改染。所有满足 \(j>k\) 的点 \((h,j)\) 此时仍为蓝色:如果这样的点需要改染,那么由于它的坐标和更大,它必定在之后才被改染。因此,第一坐标为 \(h\) 的蓝色点恰好是 \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] 其个数为 \(n-h-k\)。
交换两个坐标,用完全相同的论证可知,第二坐标为 \(k\) 的蓝色点的个数也为 \(n-h-k\)。
因此,这次改染将两个数列中的各一个 \(n-h-k\) 替换为 \(n-h-k-1\),其余各项均不变。于是,两个数列作为多重集相等这一性质在每一步都保持不变。
所有改染完成后,两个数列的各项取值及其出现次数仍然相同,因此它们的乘积相等。这就证明了所要求的数量相等,包括乘积为零的情形。
如果允许 \(n=0\),则 \(S\) 为空集,且空集是两类子集中各自唯一的子集,因此结论也成立。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2002 · Задача 1
Пусть \(S\) — множество всех пар \((h,k)\), где \(h,k\) — неотрицательные целые числа, такие что \(h+k<n\). Каждый элемент \(S\) окрашен в красный или синий цвет так, что если \((h,k)\) красный и \(h'\le h,k'\le k\), то \((h',k')\) тоже красный. Подмножество \(S\) первого типа состоит из \(n\) синих элементов с различными первыми координатами, а подмножество \(S\) второго типа — из \(n\) синих элементов с различными вторыми координатами. Докажите, что число подмножеств первого типа равно числу подмножеств второго типа.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим через \(c_h\) число синих точек с первой координатой \(h\), а через \(r_k\) — число синих точек со второй координатой \(k\).
Каждая из координат может принимать ровно \(n\) значений, а именно \(0,1,\ldots,n-1\). Поэтому подмножество первого типа содержит ровно одну синюю точку для каждого значения первой координаты, а подмножество второго типа — ровно одну синюю точку для каждого значения второй координаты. Следовательно, их количества соответственно равны \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{и}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] Докажем, что в двух списках \((c_h)\) и \((r_k)\) встречаются одни и те же числа с одинаковыми кратностями.
Начнём с раскраски, в которой все точки синие. Тогда оба списка имеют вид \[ n,n-1,\ldots,1. \] Теперь перекрасим в красный цвет в точности те точки, которые красные в данной раскраске, по одной, в порядке неубывания \(h+k\); точки с одинаковой суммой координат можно брать в произвольном порядке.
Рассмотрим момент непосредственно перед перекрашиванием точки \((h,k)\) в красный цвет. Каждая точка \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] по условию красная в данной раскраске. У каждой из них сумма координат меньше, чем у \((h,k)\), поэтому все они уже перекрашены. Каждая точка \((h,j)\) с \(j>k\) пока синяя: если её вообще предстоит перекрасить, то из-за большей суммы координат это произойдёт позднее. Поэтому синие точки с первой координатой \(h\) — это в точности \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] и их число равно \(n-h-k\).
Точно такое же рассуждение с переставленными координатами показывает, что число синих точек со второй координатой \(k\) также равно \(n-h-k\).
Таким образом, это перекрашивание заменяет в каждом из двух списков одно вхождение числа \(n-h-k\) на \(n-h-k-1\), оставляя все остальные элементы неизменными. Следовательно, на каждом шаге сохраняется равенство списков как мультимножеств.
После всех перекрашиваний списки по-прежнему содержат одни и те же числа с одинаковыми кратностями, поэтому произведения их элементов равны. Это доказывает требуемое равенство, в том числе в случаях, когда произведение равно нулю.
Если допускается \(n=0\), то \(S\) пусто и пустое подмножество является единственным подмножеством каждого из двух типов, так что утверждение верно и в этом случае.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2002 · المسألة 1
لتكن \(S\) مجموعة جميع الأزواج \((h,k)\) حيث \(h,k\) عددان صحيحان غير سالبين يحققان \(h+k<n\). يُلوَّن كل عنصر من \(S\) بالأحمر أو بالأزرق، بحيث إذا كان \((h,k)\) أحمر وكان \(h'\le h,k'\le k\)، فإن \((h',k')\) أحمر أيضًا. تتكون المجموعة الجزئية من \(S\) من النوع 1 من \(n\) عناصر زرقاء تختلف مركباتها الأولى، وتتكون المجموعة الجزئية من \(S\) من النوع 2 من \(n\) عناصر زرقاء تختلف مركباتها الثانية. أثبت أن عدد المجموعات الجزئية من النوع 1 يساوي عدد المجموعات الجزئية من النوع 2.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لنرمز بـ \(c_h\) إلى عدد النقاط الزرقاء التي إحداثيها الأول \(h\)، وبـ \(r_k\) إلى عدد النقاط الزرقاء التي إحداثيها الثاني \(k\).
لكل من الإحداثيين \(n\) قيم ممكنة بالضبط، هي \(0,1,\ldots,n-1\). لذا تختار المجموعة الجزئية من النوع 1 نقطة زرقاء واحدة بالضبط لكل إحداثي أول، بينما تختار المجموعة الجزئية من النوع 2 نقطة زرقاء واحدة بالضبط لكل إحداثي ثانٍ. ومن ثم فإن عدديهما، على الترتيب، هما \[ \prod_{h=0}^{n-1}c_h \qquad\text{و}\qquad \prod_{k=0}^{n-1}r_k. \] سنثبت أن القائمتين \((c_h)\) و\((r_k)\) تحتويان على القيم نفسها بالتكرارات نفسها.
لنبدأ بتلوين جميع النقاط بالأزرق. عندئذ تكون كلتا القائمتين \[ n,n-1,\ldots,1. \] والآن نعيد تلوين النقاط الحمراء في التلوين المعطى، دون غيرها، واحدة تلو الأخرى، بترتيب غير تناقصي لقيم \(h+k\)، ونرتب النقاط ذات القيم المتساوية ترتيبًا اعتباطيًا.
لننظر إلى اللحظة التي تسبق مباشرة إعادة تلوين نقطة \((h,k)\) بالأحمر. كل نقطة من النقاط \[ (h,0),(h,1),\ldots,(h,k-1) \] حمراء في التلوين المعطى، وفقًا للفرض. ومجموع إحداثيي كل منها أصغر من مجموع إحداثيي \((h,k)\)، لذا أُعيد تلوين كل منها بالفعل. وكل نقطة \((h,j)\) حيث \(j>k\) لا تزال زرقاء: فإذا كان سيُعاد تلوينها أصلًا، فإن مجموع إحداثييها الأكبر يجعل دورها يأتي لاحقًا. لذلك فإن النقاط الزرقاء ذات الإحداثي الأول \(h\) هي بالضبط \[ (h,k),(h,k+1),\ldots,(h,n-h-1), \] وعددها \(n-h-k\).
وتُظهر الحجة نفسها، مع تبادل الإحداثيين، أن عدد النقاط الزرقاء ذات الإحداثي الثاني \(k\) يساوي أيضًا \(n-h-k\).
إذن تستبدل إعادة التلوين هذه قيمة واحدة \(n-h-k\) بالقيمة \(n-h-k-1\) في كل من القائمتين، وتُبقي جميع القيم الأخرى دون تغيير. ومن ثم يبقى تساوي القائمتين بوصفهما مجموعتين متعددتي العناصر محفوظًا في كل خطوة.
بعد إتمام جميع عمليات إعادة التلوين، تظل القائمتان محتويتين على القيم نفسها بالتكرارات نفسها، فيتساوى حاصل ضرب عناصرهما. وهذا يثبت المساواة المطلوبة، بما في ذلك الحالات التي يكون فيها حاصل الضرب صفرًا.
إذا سُمح بأن يكون \(n=0\)، فإن \(S\) خالية، وتكون المجموعة الجزئية الخالية هي المجموعة الجزئية الوحيدة من كل نوع، فتظل النتيجة صحيحة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.