IMO 2004 · Problem 3
Define a ”hook” to be a figure made up of six unit squares as shown below in the picture, or any of the figures obtained by applying rotations and reflections to this figure.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
Determine all \(m\times n\) rectangles that can be covered without gaps and without overlaps with hooks such that
- the rectangle is covered without gaps and without overlaps
- no part of a hook covers area outside the rectagle.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Exactly the rectangles satisfying \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{or}\ 4\mid n. } \]
Solution
We first establish the necessary conditions.
All tiles in a tiling have their grid directions parallel to the rectangle’s sides. Indeed, tiles sharing an edge segment have the same grid directions, and their adjacency graph is connected: a path between tile interiors can be chosen to avoid all vertices. Moreover, a horizontal line avoiding vertices cuts the hooks into intervals of integer length. Starting from the rectangle’s left side, their endpoints therefore have integer coordinates. The analogous vertical argument shows that the entire tiling lies on one unit-square grid, and that \(m,n\) are integers.
Hooks must occur in pairs. Fix a hook \(A\), positioned as follows; dots denote squares outside it:
AAA
A.A
A..
Its central missing square has three neighbours in \(A\). Consequently, the hook \(B\) covering that square must have an endpoint there, with its next square immediately below.
A hook has two different endpoints. For either endpoint, the remaining part can turn left or right, giving four possibilities. One overlaps \(A\) immediately. The other three are:
R S Impossible
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
In the last configuration, the missing square in the third row and third column is surrounded on all four sides. No hook can cover it.
Thus only \(R\) and \(S\) are possible. In both, \(A\) also covers the central missing square of \(B\). Hence this pairing is mutual and partitions all hooks into pairs.
Each pair is therefore either a \(3\times4\) rectangle \(R\), or the stepped figure \(S\)
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
up to rotations and reflections. Both have area \(12\), so \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
Neither side can be \(1,2,\) or \(5\). Every hook has a \(3\times3\) bounding square, so both sides are at least \(3\).
Consider the paired tiles meeting the top row of the rectangle. Their numbers of squares in the first two rows are respectively:
- \(3,3\) or \(4,4\) for \(R\);
- \(3,3\) for a horizontally stepped \(S\);
- \(2,4\) for a vertically stepped \(S\).
The first-row contributions already sum to the rectangle’s width. Thus a vertically stepped \(S\) would make the second-row contributions exceed that width. None can occur.
For every remaining tile meeting the top row, its third-row interval has the same length as its first-row interval. For \(R\), its position is unchanged; for \(S\), it shifts one square left or right. These third-row intervals again have total length equal to the rectangle’s width, so they partition that row.
Their order cannot change: each interval has length at least \(3\), while each displacement has magnitude at most \(1\). A partition into intervals with the same ordered lengths has uniquely determined endpoints. Hence every displacement is zero, excluding \(S\) from the top boundary.
Therefore the rectangle’s width is a sum of \(3\)’s and \(4\)’s. Applying the same argument after rotation gives the same conclusion for its height. In particular, \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
One side must be divisible by \(4\). We prove this using an elementary matrix argument, including the required cancellation principle.
Assign an invertible matrix \(X\) to a unit step right and \(Y\) to a unit step down; assign \(X^{-1},Y^{-1}\) to the opposite steps. The matrix of a walk is the ordered product of its step matrices.
If every tile’s boundary has product \(I\), then the outer boundary also has product \(I\). To see this, suppose a closed edge walk has nonidentity product, and choose a simple such walk enclosing the fewest tiles. This is possible because a walk with repeated vertices splits into smaller closed walks, whose products, up to conjugation, give its product. Replace an edge of the chosen walk by the complementary boundary path around the tile immediately inside that edge. The product is unchanged. After cancelling backtracks and splitting at repeated vertices, the resulting loops enclose components of the old region with that tile removed. Each encloses fewer tiles, so each has product \(I\), a contradiction.
Now put \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] Direct multiplication gives \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
The boundary product of a \(3\times4\) rectangle is \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] because \(Y^4=-I\).
For a stepped tile, take the orientation
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
Its boundary product, starting at its upper-left corner, is \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] By (3), \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] so this product equals \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] The identities (3) remain valid when \(X,Y\) are interchanged or either is replaced by its inverse. Thus the same conclusion holds for every rotation and reflection of both paired tiles.
The cancellation principle now gives \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] or equivalently \(X^mY^n=Y^nX^m\).
But \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] Comparing their upper-right entries in the two products yields \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] For integers \(m,n\), the first factor vanishes exactly when \(4\mid m\), and the second exactly when \(4\mid n\). Therefore \[ 4\mid m\quad\text{or}\quad4\mid n. \tag{4} \]
It remains to prove sufficiency.
Assume the stated conditions, and interchange the dimensions if necessary so that \(4\mid m\). Two hooks tile a \(4\times3\) rectangle, as shown by configuration \(R\).
If \(3\mid n\), divide the rectangle directly into \(4\times3\) blocks.
Otherwise, \(12\mid mn\) implies \(3\mid m\), hence \(12\mid m\). Every positive integer other than \(1,2,5\) is a nonnegative integer combination of \(3\) and \(4\): this holds for \(3,4,6,7,8\), and all larger cases follow by repeatedly adding \(3\). Write \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] Split the rectangle into \(a\) strips of size \(m\times3\) and \(b\) strips of size \(m\times4\). Since \(12\mid m\), every strip can be divided into \(3\times4\) rectangles, each covered by two hooks.
Thus all the stated rectangles, and only those rectangles, can be tiled.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2004 · Aufgabe 3
Als „Haken“ bezeichnen wir eine Figur aus sechs Einheitsquadraten wie in der folgenden Abbildung sowie jede Figur, die daraus durch Drehungen und Spiegelungen entsteht.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
Bestimme alle \(m\times n\)-Rechtecke, die sich lückenlos und ohne Überlappungen mit Haken überdecken lassen, sodass
- das Rechteck lückenlos und ohne Überlappungen überdeckt wird,
- kein Teil eines Hakens eine Fläche außerhalb des Rechtecks überdeckt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Genau die Rechtecke, für die gilt: \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{oder}\ 4\mid n. } \]
Lösung
Wir weisen zunächst die notwendigen Bedingungen nach.
Bei einer Parkettierung verlaufen die Gitterrichtungen aller Steine parallel zu den Seiten des Rechtecks. Tatsächlich haben Steine, die ein Kantenstück gemeinsam haben, dieselben Gitterrichtungen, und ihr Nachbarschaftsgraph ist zusammenhängend: Ein Weg zwischen inneren Punkten von Steinen lässt sich so wählen, dass er alle Eckpunkte vermeidet. Außerdem schneidet eine horizontale Gerade, die durch keinen Eckpunkt verläuft, die Haken in Intervalle ganzzahliger Länge. Ausgehend von der linken Seite des Rechtecks haben deren Endpunkte daher ganzzahlige Koordinaten. Das entsprechende vertikale Argument zeigt, dass die gesamte Parkettierung auf einem einzigen Gitter aus Einheitsquadraten liegt und dass \(m,n\) ganze Zahlen sind.
Haken müssen paarweise auftreten. Wir betrachten einen Haken \(A\) in der folgenden Lage; Punkte bezeichnen Quadrate außerhalb dieses Hakens:
AAA
A.A
A..
Sein mittleres fehlendes Quadrat hat drei Nachbarquadrate in \(A\). Daher muss der Haken \(B\), der dieses Quadrat überdeckt, dort ein Endquadrat haben, wobei sein nächstes Quadrat unmittelbar darunter liegt.
Ein Haken hat zwei verschiedene Endquadrate. Bei jedem Endquadrat kann der übrige Teil nach links oder rechts abbiegen, was vier Möglichkeiten ergibt. Eine davon überlappt sofort mit \(A\). Die anderen drei sind:
R S Unmöglich
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
In der letzten Anordnung ist das fehlende Quadrat in der dritten Zeile und dritten Spalte von allen vier Seiten umgeben. Kein Haken kann es überdecken.
Somit sind nur \(R\) und \(S\) möglich. In beiden Fällen überdeckt \(A\) auch das mittlere fehlende Quadrat von \(B\). Diese Zuordnung ist also gegenseitig und zerlegt alle Haken in Paare.
Jedes Paar ist daher entweder ein \(3\times4\)-Rechteck \(R\) oder die Stufenfigur \(S\)
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
bis auf Drehungen und Spiegelungen. Beide haben den Flächeninhalt \(12\), also gilt \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
Keine Seite kann die Länge \(1,2,\) oder \(5\) haben. Jeder Haken hat ein umschließendes \(3\times3\)-Quadrat, also sind beide Seiten mindestens \(3\) lang.
Betrachten wir die aus Paaren gebildeten Steine, die die oberste Zeile des Rechtecks treffen. Ihre Anzahlen von Quadraten in den ersten beiden Zeilen betragen jeweils:
- \(3,3\) oder \(4,4\) für \(R\);
- \(3,3\) für ein horizontal abgestuftes \(S\);
- \(2,4\) für ein vertikal abgestuftes \(S\).
Die Beiträge zur ersten Zeile summieren sich bereits zur Breite des Rechtecks. Ein vertikal abgestuftes \(S\) würde daher bewirken, dass die Beiträge zur zweiten Zeile diese Breite überschreiten. Ein solches kann also nicht vorkommen.
Bei jedem verbleibenden Stein, der die oberste Zeile trifft, hat sein Intervall in der dritten Zeile dieselbe Länge wie sein Intervall in der ersten Zeile. Bei \(R\) bleibt seine Lage unverändert; bei \(S\) verschiebt es sich um ein Quadrat nach links oder rechts. Diese Intervalle in der dritten Zeile haben wiederum eine Gesamtlänge gleich der Breite des Rechtecks, bilden also eine Zerlegung dieser Zeile.
Ihre Reihenfolge kann sich nicht ändern: Jedes Intervall hat eine Länge von mindestens \(3\), während jede Verschiebung höchstens den Betrag \(1\) hat. Bei einer Zerlegung in Intervalle mit denselben Längen in derselben Reihenfolge sind die Endpunkte eindeutig bestimmt. Daher ist jede Verschiebung null, womit \(S\) am oberen Rand ausgeschlossen ist.
Die Breite des Rechtecks ist also eine Summe aus \(3\) und \(4\). Wenden wir dasselbe Argument nach einer Drehung an, so erhalten wir dieselbe Aussage für seine Höhe. Insbesondere gilt \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
Eine Seite muss durch \(4\) teilbar sein. Wir beweisen dies mit einem elementaren Matrizenargument einschließlich des benötigten Kürzungsprinzips.
Wir ordnen einem Einheitsschritt nach rechts eine invertierbare Matrix \(X\) und einem Einheitsschritt nach unten eine invertierbare Matrix \(Y\) zu; den entgegengesetzten Schritten ordnen wir \(X^{-1},Y^{-1}\) zu. Die Matrix eines Weges ist das Produkt seiner Schrittmatrizen in der Reihenfolge der Schritte.
Wenn der Rand jedes Steins das Produkt \(I\) hat, so hat auch der äußere Rand das Produkt \(I\). Um dies einzusehen, nehmen wir an, es gebe einen geschlossenen Kantenzug, dessen Produkt nicht die Einheitsmatrix ist, und wählen einen einfachen solchen Kantenzug, der möglichst wenige Steine einschließt. Dies ist möglich, weil sich ein Kantenzug mit mehrfach durchlaufenen Eckpunkten in kleinere geschlossene Kantenzüge zerlegen lässt, deren Produkte bis auf Konjugation sein Produkt ergeben. Wir ersetzen eine Kante des gewählten Kantenzugs durch den ergänzenden Randweg um den Stein unmittelbar innerhalb dieser Kante. Das Produkt bleibt unverändert. Nach dem Kürzen unmittelbar aufeinanderfolgender Hin- und Rückschritte und dem Aufteilen an mehrfach durchlaufenen Eckpunkten schließen die entstehenden Schleifen Teile des alten Gebiets ein, aus dem dieser Stein entfernt wurde. Jede schließt weniger Steine ein, hat also das Produkt \(I\), ein Widerspruch.
Nun setzen wir \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] Direktes Ausmultiplizieren ergibt \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
Das Randprodukt eines \(3\times4\)-Rechtecks ist \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] da \(Y^4=-I\) gilt.
Für einen stufenförmigen Stein wählen wir die Ausrichtung
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
Sein Randprodukt, beginnend an seiner oberen linken Ecke, ist \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] Nach (3) gilt \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] also ist dieses Produkt gleich \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] Die Identitäten (3) bleiben gültig, wenn \(X,Y\) vertauscht werden oder eine der beiden Matrizen durch ihre Inverse ersetzt wird. Somit gilt dieselbe Aussage für jede Drehung und Spiegelung beider aus Paaren gebildeten Steine.
Das Kürzungsprinzip liefert nun \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] oder äquivalent \(X^mY^n=Y^nX^m\).
Es gilt aber \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] Der Vergleich der Einträge oben rechts in den beiden Produkten ergibt \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] Für ganze Zahlen \(m,n\) verschwindet der erste Faktor genau dann, wenn \(4\mid m\), und der zweite genau dann, wenn \(4\mid n\). Daher gilt \[ 4\mid m\quad\text{oder}\quad4\mid n. \tag{4} \]
Es bleibt die Hinlänglichkeit zu beweisen.
Nehmen wir an, dass die angegebenen Bedingungen erfüllt sind, und vertauschen wir gegebenenfalls die Abmessungen, sodass \(4\mid m\) gilt. Zwei Haken parkettieren ein \(4\times3\)-Rechteck, wie die Anordnung \(R\) zeigt.
Falls \(3\mid n\) gilt, zerlegen wir das Rechteck unmittelbar in \(4\times3\)-Blöcke.
Andernfalls folgt aus \(12\mid mn\), dass \(3\mid m\), also \(12\mid m\) gilt. Jede positive ganze Zahl außer \(1,2,5\) ist eine nichtnegative ganzzahlige Linearkombination von \(3\) und \(4\): Dies gilt für \(3,4,6,7,8\), und alle größeren Fälle ergeben sich durch wiederholte Addition von \(3\). Wir schreiben \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] Wir zerlegen das Rechteck in \(a\) Streifen der Größe \(m\times3\) und \(b\) Streifen der Größe \(m\times4\). Wegen \(12\mid m\) lässt sich jeder Streifen in \(3\times4\)-Rechtecke zerlegen, die jeweils von zwei Haken überdeckt werden.
Somit lassen sich alle angegebenen Rechtecke und nur diese parkettieren.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2004 · Soru 3
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi altı birim kareden oluşan şekle veya bu şeklin dönme ve yansımalarla elde edilen herhangi bir görüntüsüne “kanca” diyelim.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
Kancalarla, boşluk bırakılmadan ve üst üste binme olmadan, aşağıdaki koşullar sağlanacak biçimde kaplanabilen tüm \(m\times n\) dikdörtgenleri belirleyiniz:
- dikdörtgen boşluk bırakılmadan ve üst üste binme olmadan kaplanmalıdır;
- hiçbir kancanın herhangi bir kısmı dikdörtgenin dışındaki bir alanı kaplamamalıdır.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Tam olarak şu koşulları sağlayan dikdörtgenlerdir: \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{veya}\ 4\mid n. } \]
Çözüm
Önce gerekli koşulları elde edelim.
Bir kaplamadaki tüm parçaların kareli ızgara doğrultuları, dikdörtgenin kenarlarına paraleldir. Gerçekten de bir kenar parçasını paylaşan parçaların ızgara doğrultuları aynıdır ve komşuluk çizgeleri bağlantılıdır: parçaların iç noktaları arasındaki bir yol, tüm köşelerden kaçınacak biçimde seçilebilir. Ayrıca, köşelerden geçmeyen yatay bir doğru, kancaları tam sayı uzunluklu aralıklar boyunca keser. Dikdörtgenin sol kenarından başlanırsa, bu aralıkların uç noktalarının koordinatları da dolayısıyla tam sayıdır. Düşey doğrultuda benzer bir akıl yürütme, kaplamanın tamamının tek bir birim kare ızgarası üzerinde bulunduğunu ve \(m,n\)'nin tam sayı olduğunu gösterir.
Kancalar çiftler hâlinde bulunmalıdır. Aşağıdaki gibi yerleştirilmiş bir \(A\) kancası seçelim; noktalar, kancanın dışındaki kareleri göstermektedir:
AAA
A.A
A..
Ortadaki eksik karenin \(A\)'da üç komşusu vardır. Dolayısıyla, bu kareyi örten \(B\) kancasının bir uç karesi burada, bir sonraki karesi ise hemen aşağıda olmalıdır.
Bir kancanın iki farklı uç karesi vardır. Her iki uç için de kalan kısım sola veya sağa dönebilir; böylece dört olasılık ortaya çıkar. Bunlardan biri hemen \(A\) ile üst üste biner. Diğer üçü şöyledir:
R S Olanaksız
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
Son yerleşimde, üçüncü satır ve üçüncü sütundaki eksik kare dört yandan çevrilidir. Hiçbir kanca bu kareyi örtemez.
Dolayısıyla yalnızca \(R\) ve \(S\) mümkündür. Her ikisinde de \(A\), \(B\)'nin ortasındaki eksik kareyi de örter. Bu nedenle bu eşleşme karşılıklıdır ve tüm kancaları çiftlere ayırır.
O hâlde her çift, dönme ve yansımalar dışında, ya \(3\times4\) boyutlu bir \(R\) dikdörtgeni ya da aşağıdaki basamaklı \(S\) şeklidir:
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
Her ikisinin de alanı \(12\) olduğundan \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
Hiçbir kenar \(1,2,\) veya \(5\) olamaz. Her kancayı çevreleyen en küçük kare \(3\times3\) boyutunda olduğundan her iki kenar da en az \(3\)'tür.
Dikdörtgenin en üst satırına değen eşleştirilmiş parçaları ele alalım. Bunların ilk iki satırdaki kare sayıları sırasıyla şöyledir:
- \(R\) için \(3,3\) veya \(4,4\);
- yatay basamaklı bir \(S\) için \(3,3\);
- düşey basamaklı bir \(S\) için \(2,4\).
İlk satıra katkıların toplamı zaten dikdörtgenin genişliğine eşittir. Dolayısıyla, düşey basamaklı bir \(S\), ikinci satıra katkıların toplamının bu genişliği aşmasına yol açardı. Böyle bir parça bulunamaz.
En üst satıra değen kalan her parçanın üçüncü satırdaki aralığı, ilk satırdaki aralığıyla aynı uzunluktadır. \(R\) için konumu değişmez; \(S\) için ise bir kare sola veya sağa kayar. Bu üçüncü satır aralıklarının toplam uzunluğu da dikdörtgenin genişliğine eşittir; dolayısıyla bu satırı parçalarlar.
Sıraları değişemez: her aralığın uzunluğu en az \(3\) iken her kaymanın büyüklüğü en çok \(1\)'dir. Sıralanmış uzunlukları aynı olan bir aralık parçalanışında uç noktalar tek türlü belirlenir. O hâlde her kayma sıfırdır; bu da üst sınırda \(S\) bulunamayacağını gösterir.
Dolayısıyla dikdörtgenin genişliği, \(3\) ve \(4\)'lerin toplamıdır. Döndürdükten sonra aynı akıl yürütmeyi uygulamak, yüksekliği için de aynı sonucu verir. Özellikle, \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
Bir kenar \(4\)'e bölünmelidir. Bunu, gereken sadeleştirme ilkesini de içeren temel bir matris yöntemiyle kanıtlayacağız.
Sağa doğru bir birimlik adıma tersinir bir \(X\) matrisi, aşağıya doğru bir birimlik adıma ise \(Y\) matrisi atayalım; ters yöndeki adımlara \(X^{-1},Y^{-1}\) atayalım. Bir yürüyüşün matrisi, adım matrislerinin sıralı çarpımıdır.
Her parçanın sınırının çarpımı \(I\) ise dış sınırın çarpımı da \(I\)'dır. Bunu görmek için, kenarlar boyunca kapalı bir yürüyüşün çarpımının birim matris olmadığını varsayalım ve bu tür yürüyüşler arasından en az sayıda parçayı çevreleyen basit bir yürüyüş seçelim. Bu mümkündür; çünkü köşeleri tekrarlayan bir yürüyüş, çarpımları eşleniklikler hesaba katıldığında kendi çarpımını veren daha küçük kapalı yürüyüşlere ayrılır. Seçilen yürüyüşün bir kenarını, bu kenarın hemen iç tarafındaki parçanın sınırının geri kalanını izleyen yolla değiştirelim. Çarpım değişmez. Geri dönüşleri sadeleştirip tekrarlanan köşelerde ayırdıktan sonra elde edilen kapalı yollar, eski bölgeden bu parça çıkarıldığında kalan bileşenleri çevreler. Her biri daha az parça çevrelediğinden her birinin çarpımı \(I\)'dır; bu bir çelişkidir.
Şimdi \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix} \] alalım. Doğrudan çarparak \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1} \tag{3} \] elde edilir.
\(3\times4\) boyutlu bir dikdörtgenin sınır çarpımı \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I \] olur; çünkü \(Y^4=-I\)'dır.
Basamaklı bir parça için şu yönelimi alalım:
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
Sol üst köşesinden başlayarak sınır çarpımı \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2} \] olur. (3)'e göre, \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X \] dolayısıyla bu çarpım \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I \] olur. (3) özdeşlikleri, \(X,Y\) yer değiştirdiğinde veya bunlardan herhangi birinin yerine tersi yazıldığında da geçerli kalır. Dolayısıyla aynı sonuç, her iki eşleştirilmiş parçanın tüm dönme ve yansımaları için de geçerlidir.
Sadeleştirme ilkesi şimdi \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I \] eşitliğini, başka bir deyişle \(X^mY^n=Y^nX^m\) eşitliğini verir.
Ancak \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] İki çarpımın sağ üst elemanlarını karşılaştırarak \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0 \] elde ederiz. \(m,n\) tam sayıları için ilk çarpan tam olarak \(4\mid m\) olduğunda, ikinci çarpan ise tam olarak \(4\mid n\) olduğunda sıfır olur. Dolayısıyla \[ 4\mid m\quad\text{veya}\quad4\mid n. \tag{4} \]
Geriye yeterliliği kanıtlamak kalıyor.
Belirtilen koşulların sağlandığını varsayalım ve gerekirse boyutları yer değiştirerek \(4\mid m\) olmasını sağlayalım. \(R\) yerleşiminde gösterildiği gibi iki kanca, \(4\times3\) boyutlu bir dikdörtgeni kaplar.
Eğer \(3\mid n\) ise dikdörtgeni doğrudan \(4\times3\) boyutlu bloklara ayıralım.
Aksi hâlde, \(12\mid mn\) koşulu \(3\mid m\) ve dolayısıyla \(12\mid m\) olduğunu verir. \(1,2,5\) dışındaki her pozitif tam sayı, \(3\) ve \(4\)'ün negatif olmayan tam sayı katsayılı bir doğrusal birleşimidir: bu, \(3,4,6,7,8\) için geçerlidir ve daha büyük tüm durumlar art arda \(3\) eklenerek elde edilir. Şöyle yazalım: \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] Dikdörtgeni \(m\times3\) boyutlu \(a\) şeride ve \(m\times4\) boyutlu \(b\) şeride ayıralım. \(12\mid m\) olduğundan her şerit, her biri iki kancayla kaplanan \(3\times4\) boyutlu dikdörtgenlere ayrılabilir.
Böylece belirtilen dikdörtgenlerin hepsi ve yalnızca bunlar kaplanabilir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2004 · Problema 3
Se define un «gancho» como una figura formada por seis cuadrados de lado unidad, tal como se muestra en la siguiente imagen, o cualquiera de las figuras obtenidas al aplicar giros y reflexiones a esta figura.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
Determine todos los rectángulos de dimensiones \(m\times n\) que se pueden recubrir sin huecos ni solapamientos con ganchos de manera que
- el rectángulo quede recubierto sin huecos ni solapamientos
- ninguna parte de un gancho cubra una región exterior al rectángulo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Exactamente los rectángulos que satisfacen \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{o}\ 4\mid n. } \]
Solución
Establecemos primero las condiciones necesarias.
En todo recubrimiento, las direcciones de la cuadrícula de todas las piezas son paralelas a los lados del rectángulo. En efecto, las piezas que comparten un segmento de borde tienen las mismas direcciones de cuadrícula, y su grafo de adyacencia es conexo: se puede elegir un camino entre puntos interiores de las piezas que evite todos los vértices. Además, una recta horizontal que no pase por ningún vértice corta los ganchos en intervalos de longitud entera. Partiendo del lado izquierdo del rectángulo, sus extremos tienen, por tanto, coordenadas enteras. El argumento vertical análogo muestra que todo el recubrimiento está sobre una única cuadrícula de cuadrados de lado unidad, y que \(m,n\) son enteros.
Los ganchos deben aparecer por parejas. Fijemos un gancho \(A\), colocado como sigue; los puntos representan cuadrados exteriores a él:
AAA
A.A
A..
El cuadrado central que le falta tiene tres vecinos en \(A\). En consecuencia, el gancho \(B\) que cubre ese cuadrado debe tener allí un extremo, con su siguiente cuadrado inmediatamente debajo.
Un gancho tiene dos extremos diferentes. Para cada extremo, la parte restante puede girar hacia la izquierda o hacia la derecha, lo que da cuatro posibilidades. Una se solapa inmediatamente con \(A\). Las otras tres son:
R S Imposible
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
En la última configuración, el cuadrado que falta en la tercera fila y la tercera columna está rodeado por sus cuatro lados. Ningún gancho puede cubrirlo.
Por tanto, solo son posibles \(R\) y \(S\). En ambas, \(A\) también cubre el cuadrado central que le falta a \(B\). Así pues, este emparejamiento es mutuo y divide todos los ganchos en parejas.
Cada pareja forma, por tanto, un rectángulo \(R\) de dimensiones \(3\times4\), o la figura escalonada \(S\)
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
salvo giros y reflexiones. Ambas tienen área \(12\), por lo que \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
Ningún lado puede medir \(1,2,\) o \(5\). El menor rectángulo que contiene un gancho es un cuadrado de dimensiones \(3\times3\), de modo que ambos lados miden al menos \(3\).
Consideremos las piezas emparejadas que alcanzan la fila superior del rectángulo. Sus números de cuadrados en las dos primeras filas son, respectivamente:
- \(3,3\) o \(4,4\) para \(R\);
- \(3,3\) para una \(S\) escalonada horizontalmente;
- \(2,4\) para una \(S\) escalonada verticalmente.
Las contribuciones a la primera fila ya suman la anchura del rectángulo. Por tanto, una \(S\) escalonada verticalmente haría que las contribuciones a la segunda fila superasen esa anchura. No puede aparecer ninguna.
Para cada una de las demás piezas que alcanzan la fila superior, su intervalo en la tercera fila tiene la misma longitud que su intervalo en la primera fila. Para \(R\), su posición no cambia; para \(S\), se desplaza un cuadrado hacia la izquierda o hacia la derecha. Estos intervalos de la tercera fila vuelven a tener una longitud total igual a la anchura del rectángulo, por lo que forman una partición de esa fila.
Su orden no puede cambiar: cada intervalo tiene longitud al menos \(3\), mientras que cada desplazamiento tiene magnitud a lo sumo \(1\). Una partición en intervalos con las mismas longitudes en el mismo orden tiene sus extremos determinados de manera única. Por consiguiente, todos los desplazamientos son nulos, lo que excluye a \(S\) del borde superior.
Por tanto, la anchura del rectángulo es una suma de treses y cuatros. Aplicando el mismo argumento tras un giro, se obtiene la misma conclusión para su altura. En particular, \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
Un lado debe ser divisible por \(4\). Lo demostramos mediante un argumento matricial elemental, incluyendo el principio de cancelación necesario.
Asignemos una matriz invertible \(X\) a un paso unitario hacia la derecha y una matriz \(Y\) a un paso unitario hacia abajo; asignemos \(X^{-1},Y^{-1}\) a los pasos en sentidos opuestos. La matriz de un recorrido es el producto ordenado de las matrices de sus pasos.
Si el producto a lo largo del borde de cada pieza es \(I\), entonces el producto a lo largo del borde exterior también es \(I\). Para verlo, supongamos que existe un recorrido cerrado por las aristas cuyo producto no es la identidad, y elijamos uno simple que encierre el menor número de piezas. Esto es posible porque un recorrido con vértices repetidos se descompone en recorridos cerrados más pequeños, cuyos productos, salvo conjugación, dan su producto. Sustituyamos una arista del recorrido elegido por el camino complementario a lo largo del borde de la pieza situada inmediatamente al interior de esa arista. El producto no cambia. Tras cancelar los pasos de ida y vuelta y separar el recorrido en los vértices repetidos, los lazos resultantes encierran componentes de la región anterior de la que se ha retirado esa pieza. Cada uno encierra menos piezas, por lo que cada uno tiene producto \(I\), una contradicción.
Pongamos ahora \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] La multiplicación directa da \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
El producto a lo largo del borde de un rectángulo de dimensiones \(3\times4\) es \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] porque \(Y^4=-I\).
Para una pieza escalonada, tomemos la orientación
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
El producto a lo largo de su borde, comenzando en su esquina superior izquierda, es \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] Por (3), \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] por lo que este producto es igual a \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] Las identidades (3) siguen siendo válidas cuando se intercambian \(X,Y\) o se sustituye cualquiera de ellas por su inversa. Por tanto, la misma conclusión vale para todos los giros y reflexiones de ambos tipos de piezas emparejadas.
El principio de cancelación da ahora \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] o, equivalentemente, \(X^mY^n=Y^nX^m\).
Pero \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] Comparando las entradas superiores derechas de los dos productos, se obtiene \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] Para enteros \(m,n\), el primer factor se anula exactamente cuando \(4\mid m\), y el segundo exactamente cuando \(4\mid n\). Por tanto, \[ 4\mid m\quad\text{o}\quad4\mid n. \tag{4} \]
Falta demostrar la suficiencia.
Supongamos que se cumplen las condiciones enunciadas e intercambiemos las dimensiones si es necesario para que \(4\mid m\). Dos ganchos recubren un rectángulo de dimensiones \(4\times3\), como muestra la configuración \(R\).
Si \(3\mid n\), dividimos directamente el rectángulo en bloques de dimensiones \(4\times3\).
En caso contrario, \(12\mid mn\) implica \(3\mid m\), y por tanto \(12\mid m\). Todo entero positivo distinto de \(1,2,5\) es una combinación de \(3\) y \(4\) con coeficientes enteros no negativos: esto se cumple para \(3,4,6,7,8\), y todos los casos mayores se obtienen sumando \(3\) repetidamente. Escribamos \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] Dividamos el rectángulo en \(a\) franjas de dimensiones \(m\times3\) y \(b\) franjas de dimensiones \(m\times4\). Como \(12\mid m\), cada franja se puede dividir en rectángulos de dimensiones \(3\times4\), cada uno recubierto por dos ganchos.
Así pues, todos los rectángulos enunciados, y solo ellos, pueden recubrirse con ganchos.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2004 · 问题 3
将下图所示的由六个单位正方形组成的图形,以及将此图形旋转或翻折所得的任何图形,称为“钩形”。
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
求所有能够用钩形无缝隙、无重叠地覆盖的 \(m\times n\) 矩形,并满足
- 矩形被无缝隙、无重叠地覆盖;
- 任何钩形的任何部分都不超出矩形。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
恰好是满足下列条件的矩形: \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{或}\ 4\mid n. } \]
解答
我们先证明必要条件。
铺砌中所有钩形的网格方向都与矩形的边平行。事实上,共有一段边的钩形具有相同的网格方向,而且它们的邻接图是连通的:可以选取一条连接钩形内部点的路径,使其避开所有顶点。此外,一条避开顶点的水平直线将各钩形截成长度为整数的线段。从矩形的左边开始,这些线段的端点因而都具有整数坐标。对竖直方向作类似论证可知,整个铺砌位于同一个单位正方形网格上,且 \(m,n\) 都是整数。
钩形必须成对出现。 固定一个钩形 \(A\),其位置如下;点表示不属于它的方格:
AAA
A.A
A..
它中央缺失的方格有三个相邻方格属于 \(A\)。因此,覆盖该方格的钩形 \(B\) 必须以该方格为一个端点方格,其下一个方格紧接在正下方。
一个钩形有两个不同的端点。无论选取哪一个端点,其余部分都可以向左或向右转,因而共有四种可能。其中一种立即与 \(A\) 重叠。其余三种如下:
R S 不可能
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
在最后一种配置中,第三行第三列的空方格四面都被围住。没有任何钩形能覆盖它。
因此,只有 \(R\) 和 \(S\) 两种可能。在这两种情形中,\(A\) 也覆盖了 \(B\) 中央缺失的方格。所以这种配对关系是相互的,并将所有钩形划分为若干对。
因此,每一对钩形在旋转或翻折后,要么是一个 \(3\times4\) 矩形 \(R\),要么是如下阶梯形 \(S\):
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
两者的面积都是 \(12\),所以 \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
任一边长都不能是 \(1,2,\) 或 \(5\)。 每个钩形的最小外接正方形都是 \(3\times3\) 的,因此两条边的长度都至少为 \(3\)。
考虑与矩形最上面一行相交的成对拼块。它们在前两行中所占的方格数分别为:
- 对于 \(R\),为 \(3,3\) 或 \(4,4\);
- 对于水平方向错开的阶梯形 \(S\),为 \(3,3\);
- 对于竖直方向错开的阶梯形 \(S\),为 \(2,4\)。
第一行中的方格数之和已经等于矩形的宽。因此,若出现竖直方向错开的阶梯形 \(S\),第二行中的方格数之和就会超过矩形的宽。所以这种拼块不可能出现。
对于每个与最上面一行相交的其余拼块,它在第三行所占区间的长度与在第一行所占区间的长度相同。对于 \(R\),区间的位置不变;对于 \(S\),区间向左或向右移动一格。这些第三行区间的总长度仍等于矩形的宽,所以它们恰好将该行分割。
它们的次序不会改变:每个区间的长度至少为 \(3\),而每次位移的大小至多为 \(1\)。按相同次序、以相同长度的区间进行分割时,各端点的位置是唯一确定的。因此,每个位移都为零,从而排除了 \(S\) 出现在上边界的可能性。
所以,矩形的宽是若干个 \(3\) 和 \(4\) 的和。旋转后应用相同的论证,可知矩形的高也具有这一性质。特别地, \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
至少有一条边的长度必须被 \(4\) 整除。 我们用一个初等矩阵论证来证明这一点,并证明其中所需的消去原理。
给向右走一个单位的步赋予可逆矩阵 \(X\),给向下走一个单位的步赋予可逆矩阵 \(Y\);给反方向的步分别赋予 \(X^{-1},Y^{-1}\)。一条游走的矩阵定义为按行走顺序将各步的矩阵相乘所得的乘积。
如果每个拼块的边界乘积都是 \(I\),那么外边界的乘积也是 \(I\)。为说明这一点,假设存在一条沿边的闭游走,其乘积不是单位矩阵,并在这样的简单闭游走中选取一条所围拼块数最少的。这是可行的,因为有重复顶点的游走可以分解为较小的闭游走,而其乘积可由这些闭游走的乘积经适当共轭后相乘得到。将所选游走的一条边替换为紧邻该边内侧的拼块边界上其余的路径。乘积保持不变。消去原路折返的部分,并在重复顶点处拆分后,得到的各条闭游走围住的是原区域去掉该拼块后所得的各个部分。每一条所围的拼块都更少,所以每一条的乘积都是 \(I\),矛盾。
现在令 \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] 直接相乘可得 \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
一个 \(3\times4\) 矩形的边界乘积为 \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] 因为 \(Y^4=-I\)。
对于阶梯形拼块,取如下朝向:
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
从其左上角出发,边界乘积为 \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] 由 (3), \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] 所以这一乘积等于 \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] 交换 \(X,Y\),或将其中任意一个替换为其逆矩阵后,恒等式 (3) 仍然成立。因此,对这两种成对拼块的所有旋转和翻折所得的图形,结论都成立。
由消去原理可得 \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] 等价地,\(X^mY^n=Y^nX^m\)。
但是 \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] 比较两个乘积的右上角元素,得 \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] 对于整数 \(m,n\),第一个因子为零当且仅当 \(4\mid m\),第二个因子为零当且仅当 \(4\mid n\)。因此 \[ 4\mid m\quad\text{或}\quad4\mid n. \tag{4} \]
下面证明充分性。
假设上述条件成立,必要时交换两个边长,使得 \(4\mid m\)。如配置 \(R\) 所示,两个钩形可以铺成一个 \(4\times3\) 矩形。
若 \(3\mid n\),直接将矩形分割成 \(4\times3\) 的小矩形即可。
否则,由 \(12\mid mn\) 可知 \(3\mid m\),从而 \(12\mid m\)。除 \(1,2,5\) 外,每个正整数都可以表示为 \(3\) 和 \(4\) 的非负整数线性组合:对 \(3,4,6,7,8\) 这显然成立,其余更大的数都可通过反复加上 \(3\) 得到。写成 \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] 将矩形分割成 \(a\) 个大小为 \(m\times3\) 的长条和 \(b\) 个大小为 \(m\times4\) 的长条。由于 \(12\mid m\),每个长条都可以分割成若干个 \(3\times4\) 矩形,而每个这样的矩形都可以用两个钩形覆盖。
因此,能够铺砌的矩形恰好是满足所述条件的矩形。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2004 · Задача 3
Назовём «крючком» фигуру, состоящую из шести единичных квадратов и изображённую ниже, а также любую фигуру, полученную из неё поворотами и отражениями.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
Определите все прямоугольники \(m\times n\), которые можно покрыть крючками без пропусков и наложений так, чтобы
- прямоугольник был покрыт без пропусков и наложений;
- ни одна часть крючка не выходила за пределы прямоугольника.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
В точности прямоугольники, удовлетворяющие условиям \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{или}\ 4\mid n. } \]
Решение
Сначала установим необходимые условия.
У всех фигур в разбиении направления клетчатой сетки параллельны сторонам прямоугольника. Действительно, у фигур, имеющих общий отрезок границы, направления сетки совпадают, а граф их смежности связен: путь между внутренними точками фигур можно выбрать так, чтобы он не проходил ни через одну вершину. Кроме того, горизонтальная прямая, не проходящая через вершины, пересекает крючки по отрезкам целой длины. Поэтому, отсчитывая координаты от левой стороны прямоугольника, получаем, что концы этих отрезков имеют целые координаты. Аналогичное рассуждение для вертикальной прямой показывает, что всё разбиение лежит на одной сетке из единичных квадратов и что \(m,n\) — целые числа.
Крючки обязательно объединяются в пары. Зафиксируем крючок \(A\), расположенный следующим образом; точки обозначают клетки вне него:
AAA
A.A
A..
У его центральной недостающей клетки три соседние клетки принадлежат \(A\). Следовательно, крючок \(B\), покрывающий эту клетку, должен иметь в ней концевую клетку, а его следующая клетка должна находиться непосредственно под ней.
У крючка есть две различные концевые клетки. Для каждой из них оставшаяся часть может поворачивать влево или вправо, что даёт четыре возможности. Одна из них сразу приводит к наложению на \(A\). Остальные три таковы:
R S Невозможно
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
В последней конфигурации недостающая клетка в третьей строке и третьем столбце окружена со всех четырёх сторон. Ни один крючок не может её покрыть.
Таким образом, возможны только \(R\) и \(S\). В обоих случаях \(A\) также покрывает центральную недостающую клетку крючка \(B\). Следовательно, это соответствие взаимно и разбивает все крючки на пары.
Поэтому каждая пара представляет собой либо прямоугольник \(3\times4\), обозначенный \(R\), либо ступенчатую фигуру \(S\)
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
с точностью до поворотов и отражений. Обе фигуры имеют площадь \(12\), поэтому \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
Ни одна из сторон не может быть равна \(1,2,\) или \(5\). Наименьший охватывающий квадрат каждого крючка имеет размер \(3\times3\), поэтому обе стороны не меньше \(3\).
Рассмотрим парные фигуры, пересекающие верхнюю строку прямоугольника. Числа их клеток в первых двух строках соответственно равны:
- \(3,3\) или \(4,4\) для \(R\);
- \(3,3\) для \(S\) с горизонтальной ступенькой;
- \(2,4\) для \(S\) с вертикальной ступенькой.
Сумма вкладов в первую строку уже равна ширине прямоугольника. Поэтому наличие фигуры \(S\) с вертикальной ступенькой привело бы к тому, что сумма вкладов во вторую строку превысила бы эту ширину. Таких фигур быть не может.
Для каждой оставшейся фигуры, пересекающей верхнюю строку, её отрезок в третьей строке имеет ту же длину, что и её отрезок в первой строке. Для \(R\) его положение не меняется; для \(S\) он сдвигается на одну клетку влево или вправо. Суммарная длина этих отрезков в третьей строке снова равна ширине прямоугольника, поэтому они образуют разбиение этой строки.
Их порядок не может измениться: длина каждого отрезка не меньше \(3\), а величина каждого сдвига не больше \(1\). В разбиении на отрезки с заданной последовательностью длин концы определяются однозначно. Следовательно, каждый сдвиг равен нулю, что исключает появление \(S\) у верхней границы.
Поэтому ширина прямоугольника является суммой чисел \(3\) и \(4\). Применив то же рассуждение после поворота, получаем такой же вывод для его высоты. В частности, \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
Одна из сторон должна делиться на \(4\). Докажем это с помощью элементарного рассуждения с матрицами, включая доказательство необходимого принципа сокращения.
Сопоставим единичному шагу вправо обратимую матрицу \(X\), а единичному шагу вниз — матрицу \(Y\); противоположным шагам сопоставим \(X^{-1},Y^{-1}\). Матрицей пути назовём произведение матриц его шагов в порядке их прохождения.
Если произведение вдоль границы каждой фигуры равно \(I\), то произведение вдоль внешней границы также равно \(I\). Чтобы это увидеть, предположим, что существует замкнутый путь по рёбрам с произведением, отличным от единичной матрицы, и выберем среди таких путей простой путь, охватывающий наименьшее число фигур. Это возможно, поскольку путь с повторяющимися вершинами разбивается на меньшие замкнутые пути, произведения которых, с точностью до сопряжения, дают его произведение. Заменим одно ребро выбранного пути на оставшуюся часть границы фигуры, прилегающей к этому ребру изнутри. Произведение не изменится. После сокращения шагов, сразу проходимых в обратном направлении, и разбиения в повторяющихся вершинах полученные замкнутые пути охватывают компоненты прежней области с удалённой из неё указанной фигурой. Каждый из них охватывает меньше фигур, поэтому произведение для каждого равно \(I\), что даёт противоречие.
Теперь положим \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] Непосредственным перемножением получаем \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
Произведение вдоль границы прямоугольника \(3\times4\) равно \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] поскольку \(Y^4=-I\).
Для ступенчатой фигуры выберем ориентацию
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
Произведение вдоль её границы, начиная с левого верхнего угла, равно \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] В силу (3) \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] поэтому это произведение равно \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] Тождества (3) остаются верными, если поменять \(X,Y\) местами или заменить любую из этих матриц обратной. Поэтому тот же вывод справедлив для любого поворота и отражения обеих парных фигур.
Теперь принцип сокращения даёт \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] или, что равносильно, \(X^mY^n=Y^nX^m\).
Но \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] Сравнивая правые верхние элементы двух произведений, получаем \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] Для целых \(m,n\) первый множитель обращается в нуль в точности при \(4\mid m\), а второй — в точности при \(4\mid n\). Следовательно, \[ 4\mid m\quad\text{или}\quad4\mid n. \tag{4} \]
Остаётся доказать достаточность.
Предположим, что указанные условия выполнены, и при необходимости поменяем размеры местами так, чтобы \(4\mid m\). Два крючка покрывают прямоугольник \(4\times3\), как показано в конфигурации \(R\).
Если \(3\mid n\), разобьём прямоугольник непосредственно на блоки \(4\times3\).
В противном случае из \(12\mid mn\) следует \(3\mid m\), а значит, \(12\mid m\). Каждое положительное целое число, кроме \(1,2,5\), является линейной комбинацией чисел \(3\) и \(4\) с неотрицательными целыми коэффициентами: это верно для \(3,4,6,7,8\), а все большие числа получаются последовательным прибавлением \(3\). Запишем \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] Разобьём прямоугольник на \(a\) полос размера \(m\times3\) и \(b\) полос размера \(m\times4\). Поскольку \(12\mid m\), каждую полосу можно разбить на прямоугольники \(3\times4\), каждый из которых покрывается двумя крючками.
Таким образом, все указанные прямоугольники и только они допускают требуемое разбиение.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2004 · المسألة 3
نعرّف «الخطاف» بأنه شكل مؤلف من ستة مربعات وحدة كما هو مبين في الرسم أدناه، أو أي شكل ينتج عن تطبيق دورانات وانعكاسات على هذا الشكل.
┌───┬───┬───┐
│ │ │ │
├───┼───┼───┤
│ │ │ │
├───┤ └───┘
│ │
└───┘
حدد جميع المستطيلات \(m\times n\) التي يمكن تغطيتها بخطافات دون فجوات ودون تداخل بحيث
- يُغطّى المستطيل دون فجوات ودون تداخل
- لا يغطي أي جزء من خطاف مساحة خارج المستطيل.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
هي بالضبط المستطيلات التي تحقق \[ \boxed{ m,n\in\mathbb Z_{>0},\qquad m,n\notin\{1,2,5\},\qquad 12\mid mn,\qquad 4\mid m\ \text{أو}\ 4\mid n. } \]
الحل
نثبت أولًا الشروط اللازمة.
تكون اتجاهات شبكة كل قطعة في التبليط موازية لأضلاع المستطيل. بالفعل، القطع التي تشترك في جزء من ضلع لها اتجاهات الشبكة نفسها، والرسم البياني لتجاورها متصل: إذ يمكن اختيار مسار بين نقطتين داخليتين في قطعتين بحيث يتجنب جميع الرؤوس. علاوة على ذلك، يقطع أي مستقيم أفقي يتجنب الرؤوس الخطافات إلى فترات أطوالها أعداد صحيحة. لذلك، بدءًا من ضلع المستطيل الأيسر، تكون إحداثيات أطراف هذه الفترات أعدادًا صحيحة. وتبين الحجة الرأسية المناظرة أن التبليط بأكمله يقع على شبكة واحدة من مربعات الوحدة، وأن \(m,n\) عددان صحيحان.
لا بد أن تأتي الخطافات في أزواج. ثبّت خطافًا \(A\) موضوعًا على النحو الآتي؛ حيث تدل النقاط على مربعات خارجه:
AAA
A.A
A..
للمربع الناقص في وسطه ثلاثة مربعات مجاورة في \(A\). وبالتالي، يجب أن يكون المربع الذي يغطيه من الخطاف \(B\) أحد طرفي هذا الخطاف، وأن يقع مربعه التالي أسفله مباشرة.
للخطاف طرفان مختلفان. ولكل طرف منهما، يمكن أن ينعطف الجزء المتبقي يسارًا أو يمينًا، مما يعطي أربعة احتمالات. يتداخل أحدها مع \(A\) مباشرة. أما الثلاثة الأخرى فهي:
R S مستحيل
AAAB .AAA AAA.
ABAB .ABA ABA.
ABBB BAB. AB.B
BBB. .BBB
في الوضع الأخير، يكون المربع الناقص في الصف الثالث والعمود الثالث محاطًا من الجهات الأربع. ولا يمكن لأي خطاف أن يغطيه.
إذن لا يمكن إلا الوضعان \(R\) و\(S\). وفي كليهما، يغطي \(A\) أيضًا المربع الناقص في وسط \(B\). ومن ثم فإن هذا الاقتران متبادل ويقسم جميع الخطافات إلى أزواج.
وعليه، يكون كل زوج إما مستطيلًا \(3\times4\) من النوع \(R\)، أو الشكل المدرّج \(S\)
.XXX
.XXX
XXX.
XXX.
أو صورة أحدهما بدوران أو انعكاس. ولكليهما مساحة \(12\)، ومن ثم \[ 12\mid mn. \tag{1} \]
لا يمكن أن يكون أي من الضلعين \(1,2,\) أو \(5\). أصغر مربع يحيط بكل خطاف أبعاده \(3\times3\)، ولذلك لا يقل طول أي من الضلعين عن \(3\).
انظر إلى القطع المكوّنة من أزواج الخطافات التي تلتقي بالصف العلوي من المستطيل. أعداد مربعاتها في الصفين الأول والثاني، على الترتيب، هي:
- \(3,3\) أو \(4,4\) للقطعة \(R\)؛
- \(3,3\) للقطعة \(S\) ذات التدرّج الأفقي؛
- \(2,4\) للقطعة \(S\) ذات التدرّج الرأسي.
مجموع إسهامات هذه القطع في الصف الأول يساوي بالفعل عرض المستطيل. لذلك فإن وجود قطعة \(S\) ذات تدرّج رأسي سيجعل مجموع إسهاماتها في الصف الثاني يتجاوز ذلك العرض. ومن ثم لا يمكن أن توجد أي قطعة من هذا النوع.
لكل قطعة متبقية تلتقي بالصف العلوي، تكون فترتها في الصف الثالث مساوية في الطول لفترتها في الصف الأول. بالنسبة إلى \(R\)، لا يتغير موضعها؛ أما بالنسبة إلى \(S\)، فتُزاح مربعًا واحدًا إلى اليسار أو اليمين. ومجموع أطوال هذه الفترات في الصف الثالث يساوي أيضًا عرض المستطيل، ولذلك فإنها تشكل تقسيمًا لذلك الصف.
لا يمكن أن يتغير ترتيبها: فطول كل فترة لا يقل عن \(3\)، في حين أن مقدار كل إزاحة لا يتجاوز \(1\). وتقسيم صف إلى فترات ذات الأطوال المرتبة نفسها يحدد أطرافها تحديدًا وحيدًا. ومن ثم تكون كل إزاحة صفرًا، وهذا يستبعد \(S\) من الحد العلوي.
إذن عرض المستطيل مجموع أعداد كل منها \(3\) أو \(4\). وبتطبيق الحجة نفسها بعد الدوران نحصل على النتيجة نفسها لارتفاعه. وعلى وجه الخصوص، \[ m,n\notin\{1,2,5\}. \tag{2} \]
يجب أن يقبل أحد الضلعين القسمة على \(4\). نثبت ذلك بحجة أولية باستخدام المصفوفات، تتضمن مبدأ الاختزال اللازم.
نُسنِد مصفوفة قابلة للعكس \(X\) إلى خطوة وحدة نحو اليمين، و\(Y\) إلى خطوة وحدة نحو الأسفل؛ ونُسنِد \(X^{-1},Y^{-1}\) إلى الخطوتين المعاكستين. ومصفوفة مسار هي حاصل ضرب مصفوفات خطواته بحسب ترتيبها.
إذا كان حاصل الضرب على حدود كل قطعة هو \(I\)، فإن حاصل الضرب على الحد الخارجي هو \(I\) أيضًا. ولرؤية ذلك، افترض وجود مسار مغلق على الحواف حاصل ضربه ليس مصفوفة الوحدة، واختر من هذه المسارات مسارًا بسيطًا يحيط بأقل عدد من القطع. وهذا ممكن لأن المسار الذي تتكرر فيه رؤوس ينقسم إلى مسارات مغلقة أصغر، وتعطي حواصل ضربها، مع إجراء اقترانات عند الحاجة، حاصل ضربه. استبدل إحدى حواف المسار المختار بالمسار المكمل لها على حدود القطعة الواقعة داخل تلك الحافة مباشرة. يبقى حاصل الضرب دون تغيير. وبعد اختزال الخطوات المتعاكسة المتتابعة والتقسيم عند الرؤوس المتكررة، تحيط الحلقات الناتجة بمكونات المنطقة القديمة بعد حذف تلك القطعة. وتحيط كل منها بعدد أقل من القطع، فيكون حاصل ضرب كل منها \(I\)، وهذا تناقض.
نضع الآن \[ \zeta=e^{\pi i/4},\qquad X=\begin{pmatrix}\zeta&0\\0&\zeta^{-1}\end{pmatrix}, \qquad Y=\frac1{\sqrt2} \begin{pmatrix}1&1\\-1&1\end{pmatrix}. \] يعطي الضرب المباشر \[ X^4=Y^4=-I,\qquad Y^2XY^{-2}=X^{-1},\qquad X^2YX^{-2}=Y^{-1}. \tag{3} \]
حاصل الضرب على حدود مستطيل \(3\times4\) هو \[ X^3Y^4X^{-3}Y^{-4}=I, \] لأن \(Y^4=-I\).
بالنسبة إلى قطعة مدرّجة، نأخذ الوضع
XXX.
XXX.
.XXX
.XXX
حاصل الضرب على حدودها، بدءًا من ركنها العلوي الأيسر، هو \[ X^3Y^2XY^2X^{-3}Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}. \] بموجب (3)، \[ Y^2XY^2=-X^{-1}, \qquad Y^{-2}X^{-1}Y^{-2}=-X, \] فيكون حاصل الضرب هذا مساويًا لـ \[ X^3(-X^{-1})X^{-3}(-X)=I. \] تبقى المتطابقات (3) صحيحة عند تبديل \(X,Y\) أو استبدال أي منهما بمعكوسها. لذلك تصح النتيجة نفسها لكل دوران وانعكاس لكلا نوعي القطع المكوّنة من أزواج الخطافات.
يعطي مبدأ الاختزال الآن \[ X^mY^nX^{-m}Y^{-n}=I, \] أو، على نحو مكافئ، \(X^mY^n=Y^nX^m\).
لكن \[ X^m= \begin{pmatrix}\zeta^m&0\\0&\zeta^{-m}\end{pmatrix}, \qquad Y^n= \begin{pmatrix} \cos(n\pi/4)&\sin(n\pi/4)\\ -\sin(n\pi/4)&\cos(n\pi/4) \end{pmatrix}. \] بمقارنة العنصر العلوي الأيمن في حاصلي الضرب نحصل على \[ (\zeta^m-\zeta^{-m})\sin(n\pi/4)=0. \] للعددين الصحيحين \(m,n\)، ينعدم العامل الأول إذا وفقط إذا كان \(4\mid m\)، وينعدم الثاني إذا وفقط إذا كان \(4\mid n\). إذن \[ 4\mid m\quad\text{أو}\quad4\mid n. \tag{4} \]
يبقى إثبات الكفاية.
نفترض تحقق الشروط المذكورة، ونبدّل البعدين عند الحاجة بحيث يكون \(4\mid m\). يبلّط خطافان مستطيلًا \(4\times3\)، كما يبين الوضع \(R\).
إذا كان \(3\mid n\)، نقسم المستطيل مباشرة إلى كتل \(4\times3\).
وإلا، فإن \(12\mid mn\) تستلزم \(3\mid m\)، ومن ثم \(12\mid m\). كل عدد صحيح موجب غير \(1,2,5\) يمكن كتابته تركيبًا خطيًا من \(3\) و\(4\) بمعاملات صحيحة غير سالبة: فهذا صحيح للأعداد \(3,4,6,7,8\)، وتنتج جميع الحالات الأكبر بإضافة \(3\) مرارًا. نكتب \[ n=3a+4b,\qquad a,b\ge0. \] نقسم المستطيل إلى \(a\) شرائط أبعاد كل منها \(m\times3\) وإلى \(b\) شرائط أبعاد كل منها \(m\times4\). وبما أن \(12\mid m\)، يمكن تقسيم كل شريط إلى مستطيلات \(3\times4\)، يُغطّى كل منها بخطافين.
إذن يمكن تبليط جميع المستطيلات المذكورة، ولا يمكن تبليط سواها.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.