IMO 2007 · Problem 3
In a mathematical competition some competitors are friends. Friendship is always mutual. Call a group of competitors a clique if each two of them are friends. (In particular, any group of fewer than two competitors is a clique.) The number of members of a clique is called its size.
Given that, in this competition, the largest size of a clique is even, prove that the competitors can be arranged in two rooms such that the largest size of a clique contained in one room is the same as the largest size of a clique contained in the other room.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(V\) be the set of competitors. For \(S\subseteq V\), write \(\omega(S)\) for the largest clique size in \(S\), with \(\omega(\varnothing)=0\).
If \(V=\varnothing\), both rooms may be empty. Otherwise, suppose for a contradiction that no required arrangement exists. Define \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] Our assumption ensures that \(f\) is defined for every subset. It is monotone: if \(S\subseteq T\), then \(f(S)\le f(T)\). Moreover, \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] For brevity, write \(S+x=S\cup\{x\}\).
We first prove that whenever \(x,y\) are not friends and \(S\) contains neither, \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] Put \(T=V\setminus(S+x+y)\). Suppose \(f(S+x)=f(S+y)=0\). Adding one competitor increases a largest clique size by at most one, so \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] and hence \(\omega(S+x)\le\omega(T)\). Similarly, \(\omega(S+y)\le\omega(T)\). Since no clique contains both \(x\) and \(y\), \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] Thus \(f(S+x+y)=0\). Interchanging the rooms also shows that if \(f(S+x)=f(S+y)=1\), then \(f(S)=1\). Together with monotonicity, these implications give (1).
Now fix a largest clique \(C\), of even size \(m>0\). We claim that, for subsets of \(C\), \(f(S)\) depends only on \(|S|\). Indeed, let \(S,S'\subseteq C\) have size \(r\) and differ by replacing one member. Both have clique number \(r\). If their \(f\)-values differed, the clique numbers of their complements would be respectively at most \(r-1\) and at least \(r+1\). This is impossible: replacing one competitor changes a largest clique size by at most one. Any two \(r\)-element subsets can be connected by such replacements, proving the claim.
Since \(f(\varnothing)=0\), \(f(C)=1\), and \(f\) is monotone, there is an integer \(t\), with \(1\le t\le m\), such that \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
We next prove, by induction on \(|U|\), that \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{for every }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] The case \(U=\varnothing\) is immediate. Assume (3) holds for \(U\), and take \(v\notin U\cup C\). Because \(C\) is a largest clique, some \(x\in C\) is not friends with \(v\).
For \(S\subseteq C\), put \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] Monotonicity gives \(d(S)\in\{0,1\}\), while (1) gives \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
Suppose \(d(S)=1\) for some \(S\). By (4), we may remove \(x\) from \(S\) if necessary. Thus assume \(x\notin S\). The induction hypothesis and (2) imply \(|S|\le t-1\). Extend \(S\) to a set \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] Then \(f(U\cup T)=0\), while monotonicity gives \(f(U\cup T+v)=1\). Hence \(d(T)=1\). But \(|T+x|=t\), so \(f(U\cup T+x)=1\), giving \(d(T+x)=0\), contrary to (4). Therefore every \(d(S)\) is zero, completing the induction.
Finally, choose \(S\subseteq C\) with \(|S|=m/2\), and put \(U=V\setminus C\). Since \(S\) and \(C\setminus S\) have equal sizes, their \(f\)-values agree. But (3) and complementation give \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] impossible for a value in \(\{0,1\}\).
The assumed impossibility is therefore false, and the required arrangement exists. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2007 · Aufgabe 3
In einem mathematischen Wettbewerb sind einige Teilnehmende miteinander befreundet. Freundschaft beruhe auf Gegenseitigkeit. Eine Gruppe von Teilnehmenden heiße Clique, wenn je zwei von ihnen befreundet sind. (Insbesondere ist jede Gruppe von weniger als zwei Teilnehmenden eine Clique.) Die Größe einer Clique ist die Anzahl ihrer Mitglieder. Die maximale Größe einer Clique in diesem Wettbewerb sei gerade. Man beweise, dass die Teilnehmenden so auf zwei Räume aufgeteilt werden können, dass die maximale Größe einer Clique in einem Raum gleich der maximalen Größe einer Clique im anderen Raum ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Es sei \(V\) die Menge der Teilnehmenden. Für \(S\subseteq V\) bezeichnen wir mit \(\omega(S)\) die maximale Größe einer Clique in \(S\), wobei \(\omega(\varnothing)=0\) gilt.
Ist \(V=\varnothing\), so können beide Räume leer bleiben. Andernfalls nehmen wir zum Widerspruch an, dass keine solche Aufteilung existiert. Wir definieren \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] Unsere Annahme stellt sicher, dass \(f\) für jede Teilmenge definiert ist. Die Funktion ist monoton: Ist \(S\subseteq T\), so gilt \(f(S)\le f(T)\). Außerdem gilt \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] Der Kürze halber schreiben wir \(S+x=S\cup\{x\}\).
Wir beweisen zunächst, dass stets dann, wenn \(x,y\) nicht befreundet sind und \(S\) keines der beiden Elemente enthält, \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] Wir setzen \(T=V\setminus(S+x+y)\). Es gelte \(f(S+x)=f(S+y)=0\). Durch das Hinzufügen eines Teilnehmenden erhöht sich die maximale Größe einer Clique um höchstens eins, also gilt \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] und somit \(\omega(S+x)\le\omega(T)\). Ebenso gilt \(\omega(S+y)\le\omega(T)\). Da keine Clique sowohl \(x\) als auch \(y\) enthält, ist \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] Also gilt \(f(S+x+y)=0\). Durch Vertauschen der Räume folgt auch, dass aus \(f(S+x)=f(S+y)=1\) die Gleichheit \(f(S)=1\) folgt. Zusammen mit der Monotonie ergeben diese Implikationen (1).
Nun wählen wir eine Clique \(C\) maximaler Größe mit gerader Größe \(m>0\). Wir behaupten, dass für Teilmengen von \(C\) der Wert \(f(S)\) nur von \(|S|\) abhängt. Seien dazu \(S,S'\subseteq C\) von der Größe \(r\), die durch Ersetzen eines Mitglieds ineinander übergehen. Beide haben die Cliquenzahl \(r\). Wären ihre \(f\)-Werte verschieden, so wären die Cliquenzahlen ihrer Komplemente höchstens \(r-1\) beziehungsweise mindestens \(r+1\). Dies ist unmöglich: Durch das Ersetzen eines Teilnehmenden ändert sich die maximale Größe einer Clique um höchstens eins. Je zwei \(r\)-elementige Teilmengen lassen sich durch solche Ersetzungen ineinander überführen, womit die Behauptung bewiesen ist.
Da \(f(\varnothing)=0\), \(f(C)=1\) gilt und \(f\) monoton ist, gibt es eine ganze Zahl \(t\) mit \(1\le t\le m\), so dass \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
Als Nächstes beweisen wir durch Induktion über \(|U|\), dass \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{für alle }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] Der Fall \(U=\varnothing\) ist unmittelbar klar. Wir nehmen an, dass (3) für \(U\) gilt, und wählen \(v\notin U\cup C\). Da \(C\) eine Clique maximaler Größe ist, gibt es ein \(x\in C\), das nicht mit \(v\) befreundet ist.
Für \(S\subseteq C\) setzen wir \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] Aus der Monotonie folgt \(d(S)\in\{0,1\}\), während (1) ergibt, dass \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
Angenommen, für ein \(S\) gilt \(d(S)=1\). Nach (4) können wir nötigenfalls \(x\) aus \(S\) entfernen. Wir dürfen also \(x\notin S\) annehmen. Die Induktionsvoraussetzung und (2) liefern \(|S|\le t-1\). Wir erweitern \(S\) zu einer Menge \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] Dann gilt \(f(U\cup T)=0\), während die Monotonie \(f(U\cup T+v)=1\) liefert. Somit ist \(d(T)=1\). Aber wegen \(|T+x|=t\) gilt \(f(U\cup T+x)=1\), also \(d(T+x)=0\), im Widerspruch zu (4). Daher ist jeder Wert \(d(S)\) gleich null, womit die Induktion abgeschlossen ist.
Schließlich wählen wir \(S\subseteq C\) mit \(|S|=m/2\) und setzen \(U=V\setminus C\). Da \(S\) und \(C\setminus S\) gleich groß sind, stimmen ihre \(f\)-Werte überein. Doch aus (3) und der Beziehung für Komplemente folgt \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] was für einen Wert aus \(\{0,1\}\) unmöglich ist.
Die angenommene Unmöglichkeit ist somit widerlegt, und die gewünschte Aufteilung existiert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2007 · Soru 3
Bir matematik yarışmasına katılan yarışmacılardan bazıları arkadaştır. Arkadaşlık her zaman karşılıklıdır. Bir yarışmacı grubundaki her yarışmacı çifti arkadaşsa, bu gruba bir klik diyelim. (Özellikle, ikiden az yarışmacıdan oluşan her grup bir kliktir.) Bir kliğin eleman sayısına bu kliğin büyüklüğü diyelim.
Bu yarışmadaki kliklerin büyüklüklerinin aldığı en büyük değer bir çift sayı olsun. Tüm yarışmacıların, bir odadaki kliklerin büyüklüklerinin en büyük değeri, diğer odadaki kliklerin büyüklüklerinin en büyük değerine eşit olacak biçimde iki odaya yerleştirilebileceğini kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Yarışmacılar kümesi \(V\) olsun. \(S\subseteq V\) için, \(S\) içindeki en büyük klik büyüklüğünü \(\omega(S)\) ile gösterelim ve \(\omega(\varnothing)=0\) olarak alalım.
\(V=\varnothing\) ise her iki oda da boş bırakılabilir. Aksi hâlde, çelişki elde etmek üzere, istenen yerleştirmenin mümkün olmadığını varsayalım. \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S) \end{cases} \] olarak tanımlayalım. Varsayımımız, \(f\) fonksiyonunun her alt küme için tanımlı olmasını sağlar. Bu fonksiyon monotondur: \(S\subseteq T\) ise \(f(S)\le f(T)\) olur. Ayrıca, \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] Kısalık için \(S+x=S\cup\{x\}\) yazalım.
Önce, \(x,y\) arkadaş değilse ve \(S\) bu iki yarışmacıdan hiçbirini içermiyorsa, \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y) \tag{1} \] olduğunu kanıtlayalım. \(T=V\setminus(S+x+y)\) olarak alalım. \(f(S+x)=f(S+y)=0\) olduğunu varsayalım. Bir yarışmacı eklemek en büyük klik büyüklüğünü en fazla bir artırır; dolayısıyla \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] ve buradan \(\omega(S+x)\le\omega(T)\) olur. Benzer şekilde, \(\omega(S+y)\le\omega(T)\) olur. Hiçbir klik hem \(x\) hem de \(y\) yarışmacısını içermediğinden, \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] Böylece \(f(S+x+y)=0\) olur. Odaların yerlerini değiştirmek, \(f(S+x)=f(S+y)=1\) ise \(f(S)=1\) olduğunu da gösterir. Bu çıkarımlar, monotonlukla birlikte (1) eşitliğini verir.
Şimdi büyüklüğü \(m>0\) çift sayısı olan en büyük kliklerden birini, \(C\) kliğini, sabitleyelim. \(C\) kümesinin alt kümeleri için \(f(S)\) değerinin yalnızca \(|S|\) değerine bağlı olduğunu iddia ediyoruz. Gerçekten, \(S,S'\subseteq C\), büyüklükleri \(r\) olan ve biri diğerinden bir elemanın değiştirilmesiyle elde edilen iki alt küme olsun. Her ikisinin de klik sayısı \(r\) olur. Eğer \(f\) değerleri farklı olsaydı, tümleyenlerinin klik sayıları sırasıyla en fazla \(r-1\) ve en az \(r+1\) olurdu. Bu mümkün değildir: bir yarışmacıyı değiştirmek en büyük klik büyüklüğünü en fazla bir değiştirir. Herhangi iki \(r\) elemanlı alt kümeden birinden diğerine bu tür değiştirmelerle geçilebilir; böylece iddia kanıtlanır.
\(f(\varnothing)=0\), \(f(C)=1\) ve \(f\) monoton olduğundan, \(1\le t\le m\) koşulunu sağlayan ve \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C) \tag{2} \] olacak biçimde bir \(t\) tam sayısı vardır.
Şimdi \(|U|\) üzerinden tümevarımla \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{tüm }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C \tag{3} \] olduğunu kanıtlayalım. \(U=\varnothing\) durumu açıktır. (3) eşitliğinin \(U\) için geçerli olduğunu varsayalım ve \(v\notin U\cup C\) alalım. \(C\) en büyük kliklerden biri olduğundan, \(C\) içinde \(v\) ile arkadaş olmayan bir \(x\in C\) vardır.
\(S\subseteq C\) için, \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S) \] olarak alalım. Monotonluktan \(d(S)\in\{0,1\}\), (1) eşitliğinden ise \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S) \tag{4} \] elde edilir.
Bir \(S\) için \(d(S)=1\) olduğunu varsayalım. (4) uyarınca, gerekirse \(x\) elemanını \(S\) kümesinden çıkarabiliriz. Dolayısıyla \(x\notin S\) olduğunu varsayalım. Tümevarım varsayımı ve (2), \(|S|\le t-1\) olduğunu gösterir. \(S\) kümesini \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1 \] koşullarını sağlayan bir kümeye genişletelim. O zaman \(f(U\cup T)=0\) olur; monotonluktan da \(f(U\cup T+v)=1\) elde edilir. Böylece \(d(T)=1\) olur. Ancak \(|T+x|=t\) olduğundan \(f(U\cup T+x)=1\) olur ve buradan \(d(T+x)=0\) elde edilir; bu ise (4) ile çelişir. Dolayısıyla her \(d(S)\) sıfırdır ve tümevarım tamamlanır.
Son olarak, \(|S|=m/2\) olacak biçimde \(S\subseteq C\) seçelim ve \(U=V\setminus C\) alalım. \(S\) ve \(C\setminus S\) eşit büyüklükte olduğundan \(f\) değerleri aynıdır. Ancak (3) ve tümleyen alma özelliği, \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] eşitliğini verir; bu, \(\{0,1\}\) kümesindeki bir değer için mümkün değildir.
Dolayısıyla imkânsızlık varsayımı yanlıştır ve istenen yerleştirme mümkündür. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2007 · Problema 3
En una competencia de matemáticas algunos participantes son amigos. La amistad es siempre recíproca. Decimos que un grupo de participantes es una clique si dos cualesquiera de ellos son amigos. (En particular, cualquier grupo con menos de dos participantes es una clique). Al número de elementos de una clique se le llama tamaño. Se sabe que en esta competencia el mayor de los tamaños de las cliques es par. Demostrar que los participantes pueden distribuirse en dos aulas, de manera que el mayor de los tamaños de las cliques contenidas en un aula sea igual al mayor de los tamaños de las cliques contenidas en la otra.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(V\) el conjunto de participantes. Para \(S\subseteq V\), denotemos por \(\omega(S)\) el mayor tamaño de una clique en \(S\), con \(\omega(\varnothing)=0\).
Si \(V=\varnothing\), ambas aulas pueden estar vacías. En caso contrario, supongamos, por reducción al absurdo, que no existe una distribución como la requerida. Definamos \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] Nuestra suposición garantiza que \(f\) está definida para todo subconjunto. Es monótona: si \(S\subseteq T\), entonces \(f(S)\le f(T)\). Además, \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] Para abreviar, escribamos \(S+x=S\cup\{x\}\).
Demostremos primero que, siempre que \(x,y\) no sean amigos y \(S\) no contenga a ninguno de los dos, \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] Pongamos \(T=V\setminus(S+x+y)\). Supongamos que \(f(S+x)=f(S+y)=0\). Añadir un participante aumenta el mayor tamaño de una clique a lo sumo en uno, por lo que \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] y, por tanto, \(\omega(S+x)\le\omega(T)\). Análogamente, \(\omega(S+y)\le\omega(T)\). Como ninguna clique contiene a la vez a \(x\) y a \(y\), \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] Así, \(f(S+x+y)=0\). Intercambiando las aulas se demuestra también que, si \(f(S+x)=f(S+y)=1\), entonces \(f(S)=1\). Junto con la monotonía, estas implicaciones dan (1).
Fijemos ahora una clique \(C\) de tamaño máximo, cuyo tamaño es un número par \(m>0\). Afirmamos que, para los subconjuntos de \(C\), \(f(S)\) depende únicamente de \(|S|\). En efecto, sean \(S,S'\subseteq C\) de tamaño \(r\) y que difieran en la sustitución de un miembro. Ambos tienen número de clique \(r\). Si sus valores de \(f\) fueran distintos, los números de clique de sus complementarios serían, respectivamente, a lo sumo \(r-1\) y al menos \(r+1\). Esto es imposible: sustituir un participante cambia el mayor tamaño de una clique a lo sumo en uno. Dos subconjuntos cualesquiera de \(r\) elementos pueden conectarse mediante tales sustituciones, lo que demuestra la afirmación.
Como \(f(\varnothing)=0\), \(f(C)=1\) y \(f\) es monótona, existe un entero \(t\), con \(1\le t\le m\), tal que \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
A continuación demostremos, por inducción sobre \(|U|\), que \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{para todo }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] El caso \(U=\varnothing\) es inmediato. Supongamos que (3) se cumple para \(U\), y tomemos \(v\notin U\cup C\). Como \(C\) es una clique de tamaño máximo, algún \(x\in C\) no es amigo de \(v\).
Para \(S\subseteq C\), pongamos \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] Por monotonía, \(d(S)\in\{0,1\}\), mientras que (1) da \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
Supongamos que \(d(S)=1\) para algún \(S\). Por (4), podemos quitar \(x\) de \(S\) si es necesario. Por tanto, supongamos que \(x\notin S\). La hipótesis de inducción y (2) implican \(|S|\le t-1\). Ampliemos \(S\) hasta obtener un conjunto \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] Entonces \(f(U\cup T)=0\), mientras que la monotonía da \(f(U\cup T+v)=1\). Así, \(d(T)=1\). Pero \(|T+x|=t\), de modo que \(f(U\cup T+x)=1\), lo que da \(d(T+x)=0\), en contradicción con (4). Por tanto, todos los valores \(d(S)\) son cero, lo que completa la inducción.
Por último, elijamos \(S\subseteq C\) con \(|S|=m/2\), y pongamos \(U=V\setminus C\). Como \(S\) y \(C\setminus S\) tienen el mismo tamaño, sus valores de \(f\) coinciden. Pero (3) y la relación entre conjuntos complementarios dan \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] lo cual es imposible para un valor en \(\{0,1\}\).
Por tanto, la supuesta imposibilidad es falsa y existe la distribución requerida. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2007 · 问题 3
在一次数学竞赛活动中, 有一些参赛选手是朋友. 朋友关系是相互的. 如果一群参赛选手中的任何两人都是朋友, 我们就称这一群选手为一个“团” (特别地, 人数少于 2 的一群也是一个团).
已知在这次竞赛中, 最大的团(人数最多的团)的人数是一个偶数, 证明: 我们总能把参赛选手分配到两个教室, 使得一个教室中的最大团的人数等于另一个教室中的最大团的人数.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(V\) 为参赛选手的集合。对 \(S\subseteq V\),用 \(\omega(S)\) 表示 \(S\) 中最大团的人数,并约定 \(\omega(\varnothing)=0\)。
若 \(V=\varnothing\),则两个教室都可以为空。否则,用反证法,假设不存在所要求的分配方案。定义 \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] 我们的假设保证了对每个子集,\(f\) 都有定义。它具有单调性:若 \(S\subseteq T\),则 \(f(S)\le f(T)\)。此外, \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] 为简便起见,记 \(S+x=S\cup\{x\}\)。
我们先证明,只要 \(x,y\) 不是朋友且 \(S\) 不包含这两人,就有 \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] 令 \(T=V\setminus(S+x+y)\)。假设 \(f(S+x)=f(S+y)=0\)。增加一名选手至多使最大团的人数增加一,因此 \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] 从而 \(\omega(S+x)\le\omega(T)\)。同理,\(\omega(S+y)\le\omega(T)\)。由于没有团同时包含 \(x\) 和 \(y\), \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] 所以 \(f(S+x+y)=0\)。交换两个教室,同样可得,若 \(f(S+x)=f(S+y)=1\),则 \(f(S)=1\)。结合单调性,这些推论给出 (1)。
现在固定一个最大团 \(C\),其人数为偶数 \(m>0\)。我们断言,对于 \(C\) 的子集,\(f(S)\) 仅取决于 \(|S|\)。事实上,设 \(S,S'\subseteq C\) 的人数都为 \(r\),且二者仅相差替换一名成员。它们的团数都为 \(r\)。若它们的 \(f\) 值不同,则它们补集的团数分别至多为 \(r-1\) 和至少为 \(r+1\)。这是不可能的:替换一名选手至多使最大团的人数改变一。任意两个含 \(r\) 个元素的子集都可以通过这样的一系列替换相互转化,断言得证。
由于 \(f(\varnothing)=0\)、\(f(C)=1\),且 \(f\) 具有单调性,存在整数 \(t\),其中 \(1\le t\le m\),使得 \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
接下来,我们对 \(|U|\) 用归纳法证明 \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{对所有 }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] \(U=\varnothing\) 的情形显然成立。假设 (3) 对 \(U\) 成立,并取 \(v\notin U\cup C\)。由于 \(C\) 是最大团,存在某个 \(x\in C\) 与 \(v\) 不是朋友。
对 \(S\subseteq C\),令 \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] 由单调性可得 \(d(S)\in\{0,1\}\),而由 (1) 可得 \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
假设对某个 \(S\) 有 \(d(S)=1\)。由 (4),必要时可以从 \(S\) 中删去 \(x\)。因此可设 \(x\notin S\)。归纳假设和 (2) 推出 \(|S|\le t-1\)。将 \(S\) 扩充为集合 \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] 则 \(f(U\cup T)=0\),而单调性给出 \(f(U\cup T+v)=1\)。因此 \(d(T)=1\)。但是 \(|T+x|=t\),所以 \(f(U\cup T+x)=1\),从而 \(d(T+x)=0\),这与 (4) 矛盾。因此每个 \(d(S)\) 都为零,归纳完成。
最后,选取 \(S\subseteq C\),使得 \(|S|=m/2\),并令 \(U=V\setminus C\)。由于 \(S\) 和 \(C\setminus S\) 的人数相等,它们的 \(f\) 值相同。但由 (3) 和取补集的性质可得 \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] 这对于 \(\{0,1\}\) 中的值是不可能的。
因此,所假设的不可能性不成立,所要求的分配方案存在。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2007 · Задача 3
Среди участников математического соревнования некоторые дружат друг с другом. Дружба всегда взаимна. Назовём группу участников кликой, если любые двое из них дружат. (В частности, любая группа, состоящая менее чем из двух участников, является кликой.) Число участников клики называется её размером.
Известно, что наибольший размер клики на этом соревновании чётен. Докажите, что участников можно разместить в двух комнатах так, чтобы наибольший размер клики, находящейся целиком в одной комнате, был равен наибольшему размеру клики, находящейся целиком в другой комнате.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(V\) — множество участников. Для \(S\subseteq V\) обозначим через \(\omega(S)\) наибольший размер клики в \(S\), полагая \(\omega(\varnothing)=0\).
Если \(V=\varnothing\), обе комнаты можно оставить пустыми. В противном случае предположим от противного, что требуемого размещения не существует. Определим \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] Наше предположение гарантирует, что \(f\) определена для каждого подмножества. Она монотонна: если \(S\subseteq T\), то \(f(S)\le f(T)\). Кроме того, \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] Для краткости будем писать \(S+x=S\cup\{x\}\).
Сначала докажем, что всякий раз, когда \(x,y\) не дружат и \(S\) не содержит ни одного из них, \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] Положим \(T=V\setminus(S+x+y)\). Предположим, что \(f(S+x)=f(S+y)=0\). Добавление одного участника увеличивает наибольший размер клики не более чем на единицу, поэтому \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] откуда \(\omega(S+x)\le\omega(T)\). Аналогично, \(\omega(S+y)\le\omega(T)\). Поскольку никакая клика не содержит одновременно \(x\) и \(y\), \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] Таким образом, \(f(S+x+y)=0\). Меняя комнаты местами, также получаем, что если \(f(S+x)=f(S+y)=1\), то \(f(S)=1\). Вместе с монотонностью эти следствия дают (1).
Теперь зафиксируем клику \(C\) наибольшего размера, равного чётному числу \(m>0\). Утверждаем, что для подмножеств \(C\) значение \(f(S)\) зависит только от \(|S|\). Действительно, пусть \(S,S'\subseteq C\) имеют размер \(r\) и отличаются заменой одного участника. Наибольший размер клики в каждом из них равен \(r\). Если бы значения \(f\) на них различались, то наибольшие размеры клик в их дополнениях были бы соответственно не больше \(r-1\) и не меньше \(r+1\). Это невозможно: замена одного участника изменяет наибольший размер клики не более чем на единицу. От любого \(r\)-элементного подмножества можно перейти к любому другому такими заменами, что доказывает утверждение.
Поскольку \(f(\varnothing)=0\), \(f(C)=1\) и \(f\) монотонна, существует целое число \(t\), где \(1\le t\le m\), такое что \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
Далее докажем индукцией по \(|U|\), что \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{для любых }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] Случай \(U=\varnothing\) очевиден. Предположим, что (3) выполнено для \(U\), и возьмём \(v\notin U\cup C\). Поскольку \(C\) — клика наибольшего размера, некоторый участник \(x\in C\) не дружит с \(v\).
Для \(S\subseteq C\) положим \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] Из монотонности следует \(d(S)\in\{0,1\}\), а из (1) получаем \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
Предположим, что \(d(S)=1\) для некоторого \(S\). В силу (4) при необходимости можно удалить \(x\) из \(S\). Поэтому будем считать, что \(x\notin S\). Из предположения индукции и (2) следует \(|S|\le t-1\). Дополним \(S\) до множества \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] Тогда \(f(U\cup T)=0\), а из монотонности следует \(f(U\cup T+v)=1\). Значит, \(d(T)=1\). Но \(|T+x|=t\), поэтому \(f(U\cup T+x)=1\), откуда \(d(T+x)=0\), что противоречит (4). Следовательно, все \(d(S)\) равны нулю, и индукционный переход завершён.
Наконец, выберем \(S\subseteq C\) так, чтобы \(|S|=m/2\), и положим \(U=V\setminus C\). Поскольку \(S\) и \(C\setminus S\) имеют одинаковые размеры, значения \(f\) на них совпадают. Но из (3) и свойства дополнения получаем \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] что невозможно для значения из \(\{0,1\}\).
Таким образом, предположение о невозможности неверно, и требуемое размещение существует. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2007 · المسألة 3
يشارك عدد من الطلاب في مسابقة للرياضيات ، بعضهم أصدقاء و نفترض أنه إذا كان الطالب \(A\) صديقاً للطالب \(B\) فإن \(B\) يكون كذلك صديقاً للطالب \(A\) .
سوف نقول أن مجموعة من هؤلاء الطلاب تشكل فريقاً إذا كان كل اثنين من عناصر الفريق أصدقاء ( وعلى وجه الخصوص كل مجموعة يقل عدد عناصرها عن اثنين هي فريق )
عدد عناصر كل فريق يسمى حجم الفريق .
و في هذه المسابقة نعلم أن أكبر حجم للفريق المكون من هؤلاء الطلاب هو عدد زوجي . برهن أنه يمكن توزيع كل هؤلاء الطلاب على غرفتين بحيث يكون أكبر حجم للفريق المتواجد في الغرفة الأولى يساوي أكبر حجم للفريق المتواجد في الغرفة الأخرى .
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
لتكن \(V\) مجموعة المتسابقين. من أجل \(S\subseteq V\)، نرمز بـ\(\omega(S)\) إلى أكبر حجم لفريق في \(S\)، مع \(\omega(\varnothing)=0\).
إذا كانت \(V=\varnothing\)، فيمكن أن تكون الغرفتان خاليتين. وفي غير ذلك، نفترض، طلباً للتناقض، أنه لا يوجد توزيع يحقق المطلوب. نعرّف \[ f(S)= \begin{cases} 1,&\omega(S)>\omega(V\setminus S),\\ 0,&\omega(S)<\omega(V\setminus S). \end{cases} \] يضمن افتراضنا أن \(f\) معرّفة لكل مجموعة جزئية. وهي رتيبة: إذا كان \(S\subseteq T\)، فإن \(f(S)\le f(T)\). فضلاً عن ذلك، \[ f(V\setminus S)=1-f(S). \] للاختصار، نكتب \(S+x=S\cup\{x\}\).
نثبت أولاً أنه كلما كان \(x,y\) غير صديقين وكانت \(S\) لا تحتوي أياً منهما، فإن \[ f(S)+f(S+x+y)=f(S+x)+f(S+y). \tag{1} \] نضع \(T=V\setminus(S+x+y)\). نفترض أن \(f(S+x)=f(S+y)=0\). إن إضافة متسابق واحد تزيد أكبر حجم لفريق بمقدار لا يتجاوز الواحد، ولذلك \[ \omega(S+x)<\omega(T+y)\le \omega(T)+1, \] ومن ثم \(\omega(S+x)\le\omega(T)\). وبالمثل، \(\omega(S+y)\le\omega(T)\). وبما أنه لا يوجد فريق يحتوي كلاً من \(x\) و\(y\)، فإن \[ \omega(S+x+y)=\max\{\omega(S+x),\omega(S+y)\}\le\omega(T). \] إذن \(f(S+x+y)=0\). ويبين تبديل الغرفتين أيضاً أنه إذا كان \(f(S+x)=f(S+y)=1\)، فإن \(f(S)=1\). وبالجمع بين هذين الاستلزامين والرتابة نحصل على (1).
نثبت الآن فريقاً \(C\) ذا حجم أعظمي، وليكن حجمه الزوجي \(m>0\). ندّعي أنه، بالنسبة إلى المجموعات الجزئية من \(C\)، تعتمد \(f(S)\) على \(|S|\) فقط. وبالفعل، لتكن \(S,S'\subseteq C\) مجموعتين حجمهما \(r\) وتختلفان باستبدال عضو واحد. أكبر حجم لفريق في كل منهما هو \(r\). لو اختلفت قيمتاهما تحت \(f\)، لكان أكبر حجم لفريق في متممتيهما، على الترتيب، لا يتجاوز \(r-1\) ولا يقل عن \(r+1\). وهذا مستحيل: فاستبدال متسابق واحد يغير أكبر حجم لفريق بمقدار لا يتجاوز الواحد. ويمكن الانتقال بين أي مجموعتين جزئيتين ذواتي \(r\) عنصراً بسلسلة من هذه الاستبدالات، مما يثبت الادعاء.
بما أن \(f(\varnothing)=0\)، و\(f(C)=1\)، و\(f\) رتيبة، فهناك عدد صحيح \(t\)، حيث \(1\le t\le m\)، بحيث \[ f(S)=1\quad\Longleftrightarrow\quad |S|\ge t \qquad(S\subseteq C). \tag{2} \]
نثبت بعد ذلك، بالاستقراء على \(|U|\)، أن \[ f(U\cup S)=f(S) \qquad\text{لكل }U\subseteq V\setminus C,\ S\subseteq C. \tag{3} \] الحالة \(U=\varnothing\) مباشرة. نفترض أن (3) صحيحة من أجل \(U\)، ونأخذ \(v\notin U\cup C\). بما أن \(C\) فريق ذو حجم أعظمي، يوجد \(x\in C\) ليس صديقاً لـ\(v\).
من أجل \(S\subseteq C\)، نضع \[ d(S)=f(U\cup S+v)-f(U\cup S). \] تعطي الرتابة \(d(S)\in\{0,1\}\)، بينما تعطي (1) \[ d(S)=d(S+x)\qquad(x\notin S). \tag{4} \]
نفترض أن \(d(S)=1\) من أجل مجموعة ما \(S\). بموجب (4)، يمكننا حذف \(x\) من \(S\) إذا لزم الأمر. ومن ثم نفترض أن \(x\notin S\). تستلزم فرضية الاستقراء و(2) أن \(|S|\le t-1\). نوسّع \(S\) إلى مجموعة تحقق \[ S\subseteq T\subseteq C\setminus\{x\}, \qquad |T|=t-1. \] عندئذ \(f(U\cup T)=0\)، بينما تعطي الرتابة \(f(U\cup T+v)=1\). ومن ثم \(d(T)=1\). لكن \(|T+x|=t\)، ولذلك \(f(U\cup T+x)=1\)، مما يعطي \(d(T+x)=0\)، خلافاً لـ(4). إذن كل \(d(S)\) تساوي صفراً، وبذلك يكتمل الاستقراء.
أخيراً، نختار \(S\subseteq C\) بحيث \(|S|=m/2\)، ونضع \(U=V\setminus C\). بما أن \(S\) و\(C\setminus S\) متساويتان في الحجم، فقيمتاهما تحت \(f\) متساويتان. لكن (3) وعلاقة المتممة تعطيان \[ f(S)=f(U\cup S)=1-f(C\setminus S)=1-f(S), \] وهذا مستحيل لقيمة في \(\{0,1\}\).
إذن افتراض الاستحالة خاطئ، والتوزيع المطلوب موجود. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.