IMO 2003 · Problem 1
\(S\) is the set \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\). Show that for any subset \(A\) of \(S\) with \(101\) elements we can find \(100\) distinct elements \(x_i\) of \(S\), such that the sets \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) are all pairwise disjoint.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Write \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\), and let \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] There are \(101\cdot100\) ordered pairs of distinct elements of \(A\), while every pair with equal elements gives the difference \(0\). Consequently, \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
We choose the shifts successively. Suppose that \(0\le k\le99\) shifts \(x_1,\ldots,x_k\) have already been chosen so that their translates are pairwise disjoint.
If a candidate \(x\in S\) satisfies \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] then \(a+x=b+x_i\) for some \(a,b\in A\), so \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] Thus all candidates that could intersect an existing translate belong to \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] which contains at most \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] integers. Since \(S\) contains \(1000000\) integers, we can choose \(x_{k+1}\in S\) outside this union. Its translate is disjoint from every previously chosen translate. Moreover, \(0\in D\), so this choice also ensures \(x_{k+1}\ne x_i\) for every \(i\le k\).
Starting with \(k=0\) and repeating this step produces the required \(100\) distinct shifts. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2003 · Aufgabe 1
Es sei \(S\) die Menge \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\). Zeige, dass es zu jeder Teilmenge \(A\) von \(S\) mit \(101\) Elementen \(100\) verschiedene Elemente \(x_i\) von \(S\) gibt, sodass die Mengen \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) paarweise disjunkt sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir schreiben \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\) und setzen \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] Es gibt \(101\cdot100\) geordnete Paare verschiedener Elemente von \(A\), während jedes Paar gleicher Elemente die Differenz \(0\) ergibt. Folglich gilt \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
Wir wählen die Verschiebungen nacheinander. Angenommen, es wurden bereits \(0\le k\le99\) Verschiebungen \(x_1,\ldots,x_k\) so gewählt, dass die zugehörigen verschobenen Mengen paarweise disjunkt sind.
Erfüllt ein Kandidat \(x\in S\) die Bedingung \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] so gilt \(a+x=b+x_i\) für gewisse \(a,b\in A\), also \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] Somit gehören alle Kandidaten, deren verschobene Menge eine bereits gewählte verschobene Menge schneiden könnte, zu \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] und diese Vereinigung enthält höchstens \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] ganze Zahlen. Da \(S\) genau \(1000000\) ganze Zahlen enthält, können wir \(x_{k+1}\in S\) außerhalb dieser Vereinigung wählen. Die zugehörige verschobene Menge ist zu jeder zuvor gewählten verschobenen Menge disjunkt. Außerdem gilt \(0\in D\), sodass diese Wahl auch \(x_{k+1}\ne x_i\) für jedes \(i\le k\) sicherstellt.
Beginnend mit \(k=0\) erhalten wir durch Wiederholung dieses Schrittes die gesuchten \(100\) verschiedenen Verschiebungen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2003 · Soru 1
\(S\), \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\) kümesi olsun. \(S\)'nin \(101\) elemanlı her \(A\) alt kümesi için, \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) kümeleri ikişer ikişer ayrık olacak biçimde \(S\)'nin \(100\) farklı \(x_i\) elemanının bulunabileceğini gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\) yazalım ve \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\} \] olsun. \(A\)'nın farklı elemanlarından oluşan \(101\cdot100\) sıralı ikili vardır; elemanları eşit olan her ikili ise \(0\) farkını verir. Dolayısıyla, \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
Öteleme miktarlarını sırayla seçeceğiz. \(0\le k\le99\) olmak üzere, ötelenmiş kümeleri ikişer ikişer ayrık olan \(x_1,\ldots,x_k\) öteleme miktarlarının seçilmiş olduğunu varsayalım.
Bir \(x\in S\) adayı \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing \] koşulunu sağlıyorsa, bazı \(a,b\in A\) için \(a+x=b+x_i\) olur; dolayısıyla \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] Bu nedenle, ötelenmiş kümesi daha önce seçilmiş ötelenmiş kümelerden biriyle kesişebilecek bütün adaylar, \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D) \] kümesine aittir ve bu küme en fazla \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] tam sayı içerir. \(S\) kümesi \(1000000\) tam sayı içerdiğinden, bu birleşimin dışında bir \(x_{k+1}\in S\) seçebiliriz. Buna karşılık gelen ötelenmiş küme, daha önce seçilmiş bütün ötelenmiş kümelerden ayrıktır. Ayrıca \(0\in D\) olduğundan, bu seçim her \(i\le k\) için \(x_{k+1}\ne x_i\) olmasını da sağlar.
\(k=0\) ile başlayıp bu adımı tekrarlayarak istenen \(100\) farklı öteleme miktarını elde ederiz. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2003 · Problema 1
Sea \(S\) el conjunto \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\). Demostrar que, para cualquier subconjunto \(A\) de \(S\) con \(101\) elementos, podemos encontrar \(100\) elementos distintos \(x_i\) de \(S\) tales que los conjuntos \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) sean disjuntos dos a dos.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Escribamos \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\), y sea \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] Hay \(101\cdot100\) pares ordenados de elementos distintos de \(A\), mientras que cada par de elementos iguales da la diferencia \(0\). Por consiguiente, \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
Elegimos sucesivamente los desplazamientos. Supongamos que ya se han elegido \(0\le k\le99\) desplazamientos \(x_1,\ldots,x_k\) de modo que los conjuntos trasladados correspondientes sean disjuntos dos a dos.
Si un candidato \(x\in S\) satisface \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] entonces \(a+x=b+x_i\) para ciertos \(a,b\in A\), por lo que \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] Así, todos los candidatos cuyo conjunto trasladado pudiera intersecar alguno de los ya elegidos pertenecen a \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] que contiene a lo sumo \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] enteros. Como \(S\) contiene \(1000000\) enteros, podemos elegir \(x_{k+1}\in S\) fuera de esta unión. Su conjunto trasladado es disjunto de todos los conjuntos trasladados elegidos anteriormente. Además, \(0\in D\), de modo que esta elección también garantiza que \(x_{k+1}\ne x_i\) para todo \(i\le k\).
Comenzando con \(k=0\) y repitiendo este paso, obtenemos los \(100\) desplazamientos distintos requeridos. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2003 · 问题 1
设 \(S\) 为集合 \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\)。证明:对于 \(S\) 的任意一个含有 \(101\) 个元素的子集 \(A\),都能在 \(S\) 中找到 \(100\) 个互不相同的元素 \(x_i\),使得集合 \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) 两两不交。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
记 \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\),并设 \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] 由 \(A\) 中不同元素组成的有序对共有 \(101\cdot100\) 个,而元素相同的每个有序对所对应的差均为 \(0\)。因此, \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
我们依次选取平移量。假设已经选出了 \(0\le k\le99\) 个平移量 \(x_1,\ldots,x_k\),使得相应的平移集合两两不交。
如果某个候选值 \(x\in S\) 满足 \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] 那么存在 \(a,b\in A\),使得 \(a+x=b+x_i\),从而 \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] 因此,所有可能使新平移集合与已有平移集合相交的候选值都属于 \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] 其中至多含有 \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] 个整数。由于 \(S\) 含有 \(1000000\) 个整数,我们可以选取一个不属于上述并集的 \(x_{k+1}\in S\)。其对应的平移集合与此前选出的每个平移集合都不相交。此外,\(0\in D\),所以这样的选取还保证了对每个 \(i\le k\),都有 \(x_{k+1}\ne x_i\)。
从 \(k=0\) 开始,重复这一步骤,就能得到所需的 \(100\) 个互不相同的平移量。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2003 · Задача 1
Пусть \(S\) — множество \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\). Докажите, что для любого подмножества \(A\) множества \(S\), содержащего \(101\) элемент, можно найти \(100\) различных элементов \(x_i\) множества \(S\) таких, что множества \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) попарно не пересекаются.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Обозначим \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\) и положим \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] Существует \(101\cdot100\) упорядоченных пар различных элементов множества \(A\), а каждая пара равных элементов даёт разность \(0\). Следовательно, \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
Будем выбирать сдвиги последовательно. Предположим, что уже выбраны \(0\le k\le99\) сдвигов \(x_1,\ldots,x_k\) так, что полученные сдвигом множества попарно не пересекаются.
Если для некоторого кандидата \(x\in S\) выполняется \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] то \(a+x=b+x_i\) для некоторых \(a,b\in A\), откуда \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] Таким образом, все кандидаты, для которых новое множество может пересекаться с одним из уже полученных, принадлежат объединению \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] содержащему не более \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] целых чисел. Поскольку \(S\) содержит \(1000000\) целых чисел, можно выбрать \(x_{k+1}\in S\) вне этого объединения. Полученное сдвигом множество не пересекается ни с одним из ранее выбранных. Кроме того, \(0\in D\), поэтому такой выбор также гарантирует, что \(x_{k+1}\ne x_i\) для каждого \(i\le k\).
Начав с \(k=0\) и повторяя этот шаг, получим требуемые \(100\) различных сдвигов. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2003 · المسألة 1
لتكن \(S\) المجموعة \(\{1,2,3,\ldots,1000000\}\). أثبت أنه لأي مجموعة جزئية \(A\) من \(S\) تحتوي على \(101\) عنصرًا، يمكن إيجاد \(100\) عنصر مختلف \(x_i\) من \(S\)، بحيث تكون المجموعات \(\{a+x_i\mid a\in A\}\) متباينة اثنتين اثنتين.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نكتب \(A+x=\{a+x\mid a\in A\}\)، ولتكن \[ D=\{a-b\mid a,b\in A\}. \] يوجد \(101\cdot100\) زوج مرتب من عناصر مختلفة من \(A\)، في حين أن كل زوج ذي عنصرين متساويين يعطي الفرق \(0\). ومن ثم، \[ |D|\le 101\cdot100+1=10101. \]
نختار الإزاحات تباعًا. لنفترض أننا اخترنا بالفعل \(0\le k\le99\) إزاحة \(x_1,\ldots,x_k\)، بحيث تكون صور المجموعة بهذه الإزاحات متباينة اثنتين اثنتين.
إذا حقق عنصر مرشح \(x\in S\) الشرط \[ (A+x)\cap(A+x_i)\ne\varnothing, \] فإن \(a+x=b+x_i\) لبعض \(a,b\in A\)، وبالتالي \[ x=x_i+(b-a)\in x_i+D. \] إذن جميع العناصر المرشحة التي قد تتقاطع صور المجموعة بإزاحاتها مع إحدى الصور المختارة تنتمي إلى \[ \bigcup_{i=1}^{k}(x_i+D), \] وهذا الاتحاد يحتوي على عدد من الأعداد الصحيحة لا يتجاوز \[ k|D|\le99\cdot10101=999999 \] عددًا. وبما أن \(S\) تحتوي على \(1000000\) عدد صحيح، فيمكننا اختيار \(x_{k+1}\in S\) خارج هذا الاتحاد. وتكون صورة المجموعة بهذه الإزاحة متباينة مع كل صورة اختيرت سابقًا. فضلًا عن ذلك، فإن \(0\in D\)، لذا يضمن هذا الاختيار أيضًا أن \(x_{k+1}\ne x_i\) لكل \(i\le k\).
بالبدء من \(k=0\) وتكرار هذه الخطوة، نحصل على الإزاحات المختلفة الـ\(100\) المطلوبة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.