IMO 2009 · Problem 6
Let \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) be distinct positive integers and let \(M\) be a set of \(n-1\) positive integers not containing \(s=a_1+a_2+\cdots+a_n\). A grasshopper is to jump along the real axis, starting at the point \(0\) and making \(n\) jumps to the right with lengths \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) in some order. Prove that the order can be chosen in such a way that the grasshopper never lands on any point in \(M\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We prove the slightly stronger assertion allowing \(M\) to contain at most \(n-1\) positive integers, with \(s\notin M\).
We use strong induction on \(n\). For \(n=1\), the set \(M\) is empty and the assertion is immediate. Now suppose \(n\ge2\) and the assertion holds for every smaller number of jumps. If \(M\) is empty there is nothing to prove, so assume otherwise.
Relabel the lengths so that \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] and put \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
Case 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
The \(n-1\) lengths \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) have total \(t\), and \(M\setminus\{m\}\) contains at most \(n-2\) points. By induction, these lengths can be ordered as \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) so that their successive partial sums avoid \(M\setminus\{m\}\).
If these partial sums also avoid \(m\), append the jump \(A\). Its landing point is \(s\notin M\), so this gives the required order.
Otherwise, suppose the jump \(b_k\) lands at \(m\). Insert \(A\) immediately before \(b_k\). All earlier landing points are less than \(m\) and avoid \(M\). The inserted jump lands at \[ m-b_k+A>m, \] because \(A>b_k\). Every subsequent landing point is larger still, hence exceeds every point of \(M\). This order therefore works.
Case 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
Here \(m>t\), and \(M\) contains at least two points, so \(n\ge3\).
For each \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\), define \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] Since \(A>a_j>0\), we have \[ u_j<t<v_j. \] The numbers \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) are distinct, as are \(v_1,\ldots,v_{n-1}\). Thus the \(n-1\) pairs \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] are pairwise disjoint, and none contains \(t\).
But \(M\setminus\{t\}\) has at most \(n-2\) elements. Consequently, at least one of these pairs is disjoint from \(M\). Fix its index \(j\), so that \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
Remove the two lengths \(A\) and \(a_j\). The remaining \(n-2\) lengths have total \(u_j>0\). Let \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] Both \(t\) and \(m\) exceed \(u_j\), so \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] By induction, the remaining lengths can be ordered so that all their landing points avoid \(M'\). These points are at most \(u_j\); since \(u_j\notin M\), they therefore avoid all of \(M\).
Finally, append the jumps \(A\) and \(a_j\), in that order. Their landing points are \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{and}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] This completes the induction and proves the assertion. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2009 · Aufgabe 6
Es seien \(n\) eine positive ganze Zahl, \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) paarweise verschiedene positive ganze Zahlen und \(M\) eine Menge von \(n-1\) positiven ganzen Zahlen, die nicht die Summe \(s=a_1+a_2+\ldots+a_n\) als Element enthält. Ein Grashüpfer springt längs der reellen Zahlengerade. Er startet im Nullpunkt und vollführt \(n\) Sprünge nach rechts mit Längen \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) in beliebiger Reihenfolge. Man zeige, dass der Grashüpfer seine Sprünge so anordnen kann, dass er nie auf einem Punkt aus \(M\) landet.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen die etwas stärkere Behauptung, bei der \(M\) höchstens \(n-1\) positive ganze Zahlen enthalten darf, wobei \(s\notin M\) gilt.
Wir verwenden starke Induktion über \(n\). Für \(n=1\) ist die Menge \(M\) leer und die Behauptung unmittelbar klar. Sei nun \(n\ge2\), und die Behauptung gelte für jede kleinere Anzahl von Sprüngen. Ist \(M\) leer, so ist nichts zu beweisen; wir nehmen daher an, dass \(M\) nicht leer ist.
Wir nummerieren die Längen so um, dass \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] und setzen \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
Fall 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
Die \(n-1\) Längen \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) haben die Summe \(t\), und \(M\setminus\{m\}\) enthält höchstens \(n-2\) Punkte. Nach Induktionsvoraussetzung lassen sich diese Längen als \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) so anordnen, dass ihre aufeinanderfolgenden Teilsummen nicht in \(M\setminus\{m\}\) liegen.
Falls diese Teilsummen auch \(m\) vermeiden, hängen wir den Sprung \(A\) an. Sein Landepunkt ist \(s\notin M\), also erhalten wir damit die gesuchte Reihenfolge.
Andernfalls lande der Sprung \(b_k\) bei \(m\). Wir fügen \(A\) unmittelbar vor \(b_k\) ein. Alle vorherigen Landepunkte sind kleiner als \(m\) und liegen nicht in \(M\). Der eingefügte Sprung landet bei \[ m-b_k+A>m, \] da \(A>b_k\) gilt. Jeder nachfolgende Landepunkt ist noch größer und liegt daher rechts von jedem Punkt aus \(M\). Diese Reihenfolge erfüllt somit die Bedingung.
Fall 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
Hier gilt \(m>t\), und \(M\) enthält mindestens zwei Punkte, also ist \(n\ge3\).
Für jedes \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\) definieren wir \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] Wegen \(A>a_j>0\) gilt \[ u_j<t<v_j. \] Die Zahlen \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) sind paarweise verschieden, ebenso die Zahlen \(v_1,\ldots,v_{n-1}\). Somit sind die \(n-1\) Paare \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] paarweise disjunkt, und keines enthält \(t\).
Aber \(M\setminus\{t\}\) hat höchstens \(n-2\) Elemente. Folglich ist mindestens eines dieser Paare disjunkt zu \(M\). Wir wählen seinen Index \(j\) fest, sodass \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
Wir entfernen die beiden Längen \(A\) und \(a_j\). Die verbleibenden \(n-2\) Längen haben die Summe \(u_j>0\). Sei \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] Sowohl \(t\) als auch \(m\) sind größer als \(u_j\), also gilt \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] Nach Induktionsvoraussetzung lassen sich die verbleibenden Längen so anordnen, dass keiner ihrer Landepunkte in \(M'\) liegt. Diese Punkte sind höchstens \(u_j\); wegen \(u_j\notin M\) liegen sie daher sämtlich außerhalb von \(M\).
Schließlich hängen wir die Sprünge \(A\) und \(a_j\) in dieser Reihenfolge an. Ihre Landepunkte sind \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{und}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] Damit ist die Induktion abgeschlossen und die Behauptung bewiesen. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2009 · Soru 6
\(a_1,a_2,\ldots,a_n\) birbirinden farklı pozitif tam sayılar; \(M\) de, \(n-1\) tane pozitif tam sayıdan oluşan ve \(s=a_1+a_2+\cdots+a_n\) sayısını içermeyen bir küme olsun. Bir çekirge, gerçel sayı doğrusu üstünde \(0\) noktasından başlayarak sağa doğru, uzunlukları kendi seçtiği bir sırada \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) olan \(n\) sıçrayış yapacaktır. Çekirgenin sıçrayışlarının uzunluklarının sırasını, hiçbir sıçrayışta \(M\) ye ait bir noktaya düşmeyecek biçimde seçebileceğini kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(s\notin M\) olmak üzere, \(M\)'nin en çok \(n-1\) pozitif tam sayı içermesine izin veren, biraz daha güçlü önermeyi kanıtlayacağız.
\(n\) üzerinde kuvvetli tümevarım kullanacağız. \(n=1\) için \(M\) kümesi boştur ve önerme açıktır. Şimdi \(n\ge2\) olduğunu ve önermenin daha az sayıdaki her sıçrayış için geçerli olduğunu varsayalım. \(M\) boşsa kanıtlanacak bir şey yoktur; bu nedenle boş olmadığını varsayalım.
Uzunlukları \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] olacak biçimde yeniden indisleyelim ve \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M \] olsun.
Durum 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
\(n-1\) tane \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) uzunluğunun toplamı \(t\)'dir ve \(M\setminus\{m\}\) en çok \(n-2\) nokta içerir. Tümevarım varsayımına göre, bu uzunluklar ardışık kısmi toplamları \(M\setminus\{m\}\) kümesine ait olmayacak biçimde \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) olarak sıralanabilir.
Bu kısmi toplamlar \(m\)'ye de eşit olmuyorsa sona \(A\) sıçrayışını ekleyelim. Bu sıçrayışın varış noktası \(s\notin M\) olduğundan istenen sıralama elde edilir.
Aksi hâlde, \(b_k\) sıçrayışının \(m\)'ye vardığını varsayalım. \(A\)'yı \(b_k\)'dan hemen önce yerleştirelim. Önceki tüm varış noktaları \(m\)'den küçüktür ve \(M\)'ye ait değildir. Eklenen sıçrayışın varış noktası \[ m-b_k+A>m, \] olur; çünkü \(A>b_k\)'dır. Sonraki her varış noktası daha da büyüktür, dolayısıyla \(M\)'nin her noktasından büyüktür. Bu sıralama bu nedenle istenen koşulu sağlar.
Durum 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
Burada \(m>t\)'dir ve \(M\) en az iki nokta içerir; dolayısıyla \(n\ge3\)'tür.
Her \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\) için \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A \] olarak tanımlayalım. \(A>a_j>0\) olduğundan \[ u_j<t<v_j. \] \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) sayıları birbirinden farklıdır; aynı şekilde \(v_1,\ldots,v_{n-1}\) sayıları da birbirinden farklıdır. Böylece \(n-1\) tane \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] çifti ikişer ikişer ayrıktır ve hiçbiri \(t\)'yi içermez.
Ancak \(M\setminus\{t\}\) kümesinin en çok \(n-2\) elemanı vardır. Dolayısıyla bu çiftlerden en az biri \(M\) ile ayrıktır. Bu çiftin \(j\) indisini sabitleyelim; böylece \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
\(A\) ve \(a_j\) uzunluklarını çıkaralım. Kalan \(n-2\) uzunluğun toplamı \(u_j>0\)'dır. \[ M'=\{x\in M:x<u_j\} \] olsun. Hem \(t\) hem de \(m\), \(u_j\)'den büyüktür; dolayısıyla \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] Tümevarım varsayımına göre, kalan uzunluklar tüm varış noktaları \(M'\)'ye ait olmayacak biçimde sıralanabilir. Bu noktalar en çok \(u_j\)'dir; \(u_j\notin M\) olduğundan, dolayısıyla hiçbiri \(M\)'ye ait değildir.
Son olarak, sona sırasıyla \(A\) ve \(a_j\) sıçrayışlarını ekleyelim. Bunların varış noktaları \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{ve}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] Bu, tümevarımı tamamlar ve önermeyi kanıtlar. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2009 · Problema 6
Sean \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) enteros positivos distintos y \(M\) un conjunto de \(n-1\) enteros positivos que no contiene al número \(s=a_1+a_2+\cdots+a_n\). Un saltamontes se dispone a saltar a lo largo de la recta real. Empieza en el punto \(0\) y da \(n\) saltos hacia la derecha de longitudes \(a_1,a_2,\ldots,a_n\), en algún orden. Demostrar que el saltamontes puede organizar los saltos de manera que nunca caiga en un punto de \(M\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Demostraremos la afirmación ligeramente más fuerte en la que se permite que \(M\) contenga a lo sumo \(n-1\) enteros positivos, con \(s\notin M\).
Usamos inducción fuerte sobre \(n\). Para \(n=1\), el conjunto \(M\) es vacío y la afirmación es inmediata. Supongamos ahora que \(n\ge2\) y que la afirmación se cumple para cualquier número menor de saltos. Si \(M\) es vacío, no hay nada que demostrar, de modo que suponemos lo contrario.
Renumeremos las longitudes de modo que \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] y pongamos \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
Caso 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
Las \(n-1\) longitudes \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) suman \(t\), y \(M\setminus\{m\}\) contiene a lo sumo \(n-2\) puntos. Por inducción, estas longitudes pueden ordenarse como \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) de modo que sus sumas parciales sucesivas eviten \(M\setminus\{m\}\).
Si estas sumas parciales también evitan \(m\), añadimos al final el salto \(A\). Su punto de llegada es \(s\notin M\), por lo que se obtiene el orden requerido.
En caso contrario, supongamos que el salto \(b_k\) termina en \(m\). Insertamos \(A\) inmediatamente antes de \(b_k\). Todos los puntos de llegada anteriores son menores que \(m\) y evitan \(M\). El salto insertado termina en \[ m-b_k+A>m, \] porque \(A>b_k\). Cada punto de llegada posterior es aún mayor y, por tanto, supera a todos los puntos de \(M\). Así pues, este orden sirve.
Caso 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
En este caso \(m>t\), y \(M\) contiene al menos dos puntos, de modo que \(n\ge3\).
Para cada \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\), definamos \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] Como \(A>a_j>0\), tenemos \[ u_j<t<v_j. \] Los números \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) son distintos, al igual que \(v_1,\ldots,v_{n-1}\). Por tanto, los \(n-1\) pares \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] son disjuntos dos a dos, y ninguno contiene a \(t\).
Pero \(M\setminus\{t\}\) tiene a lo sumo \(n-2\) elementos. Por consiguiente, al menos uno de estos pares es disjunto de \(M\). Fijemos su índice \(j\), de modo que \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
Retiremos las dos longitudes \(A\) y \(a_j\). Las \(n-2\) longitudes restantes suman \(u_j>0\). Sea \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] Tanto \(t\) como \(m\) son mayores que \(u_j\), de modo que \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] Por inducción, las longitudes restantes pueden ordenarse de modo que todos sus puntos de llegada eviten \(M'\). Estos puntos son menores o iguales que \(u_j\); como \(u_j\notin M\), evitan, por tanto, todo \(M\).
Finalmente, añadimos al final los saltos \(A\) y \(a_j\), en ese orden. Sus puntos de llegada son \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{y}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] Esto completa la inducción y demuestra la afirmación. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2009 · 问题 6
设 \(a_1,a_2,\cdots,a_n\) 是互不相同的正整数.\(M\) 是有 \(n-1\) 个元素的正整数集,且不含数 \(s=a_1+a_2+\cdots+a_n\).一只蚱蜢沿着实数轴从原点 \(0\) 开始向右跳跃 \(n\) 步,它的跳跃距离是 \(a_1,a_2,\cdots,a_n\) 的某个排列.证明:可以选择一种排列,使得蚱蜢跳跃落下的点所表示的数都不在集 \(M\) 中.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
我们证明一个略强的命题:允许 \(M\) 含有至多 \(n-1\) 个正整数,并且 \(s\notin M\)。
对 \(n\) 使用强归纳法。当 \(n=1\) 时,集合 \(M\) 为空集,命题显然成立。现在设 \(n\ge2\),并假设命题对所有较少的跳跃次数均成立。若 \(M\) 为空集,则无需证明,故以下假设它非空。
将这些长度重新编号,使得 \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] 并令 \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
情形 1:\(t\notin M\setminus\{m\}\)。
这 \(n-1\) 个长度 \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) 的总和为 \(t\),而 \(M\setminus\{m\}\) 至多含有 \(n-2\) 个点。由归纳假设,可以将这些长度排列为 \(b_1,\ldots,b_{n-1}\),使其各个部分和都避开 \(M\setminus\{m\}\)。
如果这些部分和也都避开 \(m\),就在最后加上长度为 \(A\) 的一跳。这一跳的落点为 \(s\notin M\),所以这就给出了所需的顺序。
否则,设长度为 \(b_k\) 的一跳落在 \(m\) 处。将长度为 \(A\) 的一跳插在 \(b_k\) 的正前面。此前的所有落点都小于 \(m\),并且避开 \(M\)。插入的这一跳落在 \[ m-b_k+A>m, \] 因为 \(A>b_k\)。此后的每个落点都更大,因此超过 \(M\) 中的每个点。所以这个顺序符合要求。
情形 2:\(t\in M\setminus\{m\}\)。
此时 \(m>t\),且 \(M\) 至少含有两个点,所以 \(n\ge3\)。
对每个 \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\),定义 \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] 由于 \(A>a_j>0\),有 \[ u_j<t<v_j. \] 数 \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) 互不相同,\(v_1,\ldots,v_{n-1}\) 也互不相同。因此,这 \(n-1\) 个二元集合 \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] 两两不交,并且都不含 \(t\)。
但 \(M\setminus\{t\}\) 至多有 \(n-2\) 个元素。因此,这些二元集合中至少有一个与 \(M\) 不相交。固定其下标 \(j\),于是 \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
去掉两个长度 \(A\) 和 \(a_j\)。剩余的 \(n-2\) 个长度的总和为 \(u_j>0\)。令 \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] 由于 \(t\) 和 \(m\) 都大于 \(u_j\),有 \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] 由归纳假设,可以将剩余的长度排列,使它们的所有落点都避开 \(M'\)。这些点都不超过 \(u_j\);又因为 \(u_j\notin M\),所以它们也都避开整个 \(M\)。
最后,依次加上长度为 \(A\) 和 \(a_j\) 的两跳。它们的落点为 \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{和}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] 归纳完成,命题得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2009 · Задача 6
Даны попарно различные целые положительные числа \(a_1,a_2,\ldots,a_n\), а также множество \(M\), состоящее из \(n-1\) целого положительного числа, но не содержащее число \(s=a_1+a_2+\ldots+a_n\). Кузнечик должен сделать \(n\) прыжков вправо по числовой прямой, стартуя из точки с координатой \(0\). При этом длины его прыжков должны равняться числам \(a_1,a_2,\ldots,a_n\), взятым в некотором порядке. Докажите, что этот порядок можно выбрать таким образом, чтобы кузнечик ни разу не приземлился в точке, имеющей координату из множества \(M\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Докажем несколько более сильное утверждение, допуская, что \(M\) содержит не более \(n-1\) целых положительных чисел, причём \(s\notin M\).
Воспользуемся сильной индукцией по \(n\). При \(n=1\) множество \(M\) пусто, и утверждение очевидно. Теперь предположим, что \(n\ge2\) и утверждение верно для любого меньшего числа прыжков. Если \(M\) пусто, доказывать нечего, поэтому будем считать, что оно непусто.
Перенумеруем длины так, чтобы \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] и положим \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
Случай 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
Сумма \(n-1\) длин \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) равна \(t\), а \(M\setminus\{m\}\) содержит не более \(n-2\) точек. По предположению индукции эти длины можно расположить в порядке \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) так, чтобы их последовательные частичные суммы не принадлежали \(M\setminus\{m\}\).
Если эти частичные суммы также не равны \(m\), добавим в конце прыжок \(A\). Он заканчивается в точке \(s\notin M\), так что получен требуемый порядок.
В противном случае предположим, что прыжок \(b_k\) заканчивается в точке \(m\). Вставим \(A\) непосредственно перед \(b_k\). Все предыдущие точки приземления меньше \(m\) и не принадлежат \(M\). Вставленный прыжок заканчивается в точке \[ m-b_k+A>m, \] поскольку \(A>b_k\). Каждая последующая точка приземления ещё больше, а значит, превышает все точки множества \(M\). Поэтому такой порядок подходит.
Случай 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
В этом случае \(m>t\), а \(M\) содержит не менее двух точек, поэтому \(n\ge3\).
Для каждого \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\) определим \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] Поскольку \(A>a_j>0\), имеем \[ u_j<t<v_j. \] Числа \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) попарно различны, как и числа \(v_1,\ldots,v_{n-1}\). Таким образом, \(n-1\) пар \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] попарно не пересекаются, и ни одна из них не содержит \(t\).
Но \(M\setminus\{t\}\) содержит не более \(n-2\) элементов. Следовательно, хотя бы одна из этих пар не пересекается с \(M\). Зафиксируем её индекс \(j\), так что \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
Уберём две длины \(A\) и \(a_j\). Сумма оставшихся \(n-2\) длин равна \(u_j>0\). Пусть \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] И \(t\), и \(m\) больше \(u_j\), поэтому \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] По предположению индукции оставшиеся длины можно упорядочить так, чтобы все точки приземления не принадлежали \(M'\). Эти точки не превосходят \(u_j\); поскольку \(u_j\notin M\), они, следовательно, не принадлежат и всему множеству \(M\).
Наконец, добавим в конце прыжки \(A\) и \(a_j\) именно в таком порядке. Их точки приземления — \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{и}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] Это завершает индукцию и доказывает утверждение. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2009 · المسألة 6
لتكن \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) أعداداً صحيحة موجبة مختلفة و لتكن \(M\) مجموعة تحتوي على \(n-1\) من الأعداد الصحيحة الموجبة والتي لا تحتوي العدد \(s=a_1+a_2+\cdots+a_n\).
تقفز حشرة على طول خط الأعداد الحقيقية بدءاً من نقطة الصفر يميناً بالاتجاه الموجب و تنفذ \(n\) قفزة بأطوال \(a_1,a_2,\ldots,a_n\) و بترتيب ما.
برهن أنه يمكن اختيار ذلك الترتيب بحيث أن الحشرة لا تقع أبداً على أي من نقاط المجموعة \(M\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت عبارة أقوى قليلاً تسمح بأن تحتوي \(M\) على \(n-1\) عدداً صحيحاً موجباً على الأكثر، مع \(s\notin M\).
نستخدم الاستقراء القوي على \(n\). عند \(n=1\)، تكون المجموعة \(M\) خالية وتكون العبارة واضحة مباشرةً. لنفترض الآن أن \(n\ge2\) وأن العبارة صحيحة لكل عدد أصغر من القفزات. إذا كانت \(M\) خالية فلا شيء يحتاج إلى إثبات، لذا نفترض خلاف ذلك.
نعيد ترقيم الأطوال بحيث \[ a_1<a_2<\cdots<a_n, \] ونضع \[ A=a_n,\qquad t=s-A,\qquad m=\max M. \]
الحالة 1: \(t\notin M\setminus\{m\}\).
مجموع الأطوال \(a_1,\ldots,a_{n-1}\) وعددها \(n-1\) هو \(t\)، وتحتوي \(M\setminus\{m\}\) على \(n-2\) نقطة على الأكثر. بفرضية الاستقراء، يمكن ترتيب هذه الأطوال على الصورة \(b_1,\ldots,b_{n-1}\) بحيث تتجنب مجاميعها الجزئية المتعاقبة \(M\setminus\{m\}\).
إذا كانت هذه المجاميع الجزئية تتجنب أيضاً \(m\)، نُلحق القفزة \(A\). تكون نقطة هبوطها \(s\notin M\)، فنحصل بذلك على الترتيب المطلوب.
وإلا، فلنفترض أن القفزة \(b_k\) تهبط عند \(m\). نُدرج \(A\) مباشرةً قبل \(b_k\). جميع نقاط الهبوط السابقة أصغر من \(m\) وتتجنب \(M\). وتهبط القفزة المدرجة عند \[ m-b_k+A>m, \] لأن \(A>b_k\). وكل نقطة هبوط لاحقة أكبر من ذلك، ومن ثم تتجاوز كل نقطة من \(M\). لذا يفي هذا الترتيب بالغرض.
الحالة 2: \(t\in M\setminus\{m\}\).
هنا \(m>t\)، وتحتوي \(M\) على نقطتين على الأقل، ومن ثم \(n\ge3\).
لكل \(j\in\{1,\ldots,n-1\}\)، نعرّف \[ u_j=t-a_j,\qquad v_j=s-a_j=u_j+A. \] بما أن \(A>a_j>0\)، فإن \[ u_j<t<v_j. \] الأعداد \(u_1,\ldots,u_{n-1}\) مختلفة، وكذلك الأعداد \(v_1,\ldots,v_{n-1}\). إذن الأزواج وعددها \(n-1\) \[ \{u_j,v_j\}\qquad (1\le j\le n-1) \] متباينة اثنين اثنين، ولا يحتوي أي منها على \(t\).
لكن \(M\setminus\{t\}\) تحتوي على \(n-2\) عنصراً على الأكثر. وبالتالي، يوجد زوج واحد على الأقل من هذه الأزواج لا يشترك مع \(M\) في أي عنصر. نثبّت فهرسه \(j\)، بحيث \[ u_j\notin M,\qquad v_j\notin M. \]
نحذف الطولين \(A\) و \(a_j\). يكون مجموع الأطوال المتبقية وعددها \(n-2\) هو \(u_j>0\). لتكن \[ M'=\{x\in M:x<u_j\}. \] كل من \(t\) و \(m\) أكبر من \(u_j\)، ومن ثم \[ |M'|\le |M|-2\le n-3. \] بفرضية الاستقراء، يمكن ترتيب الأطوال المتبقية بحيث تتجنب جميع نقاط هبوطها \(M'\). لا تتجاوز هذه النقاط \(u_j\)؛ وبما أن \(u_j\notin M\)، فإنها تتجنب بالتالي \(M\) بأكملها.
أخيراً، نُلحق القفزتين \(A\) و \(a_j\)، بهذا الترتيب. وتكون نقطتا هبوطهما \[ u_j+A=v_j\notin M \quad\text{و}\quad v_j+a_j=s\notin M. \] وبذلك يكتمل الاستقراء وتثبت العبارة. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.