IMO 2010 · Problem 5
In each of six boxes \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6\) there is initially one coin. There are two types of operation allowed:
Type 1: Choose a nonempty box \(B_j\) with \(1\le j\le5\). Remove one coin from \(B_j\) and add two coins to \(B_{j+1}\).
Type 2: Choose a nonempty box \(B_k\) with \(1\le k\le4\). Remove one coin from \(B_k\) and exchange the contents of (possibly empty) boxes \(B_{k+1}\) and \(B_{k+2}\).
Determine whether there is a finite sequence of such operations that results in boxes \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) being empty and box \(B_6\) containing exactly \(2010^{2010^{2010}}\) coins. (Note that \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\).)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Yes, such a finite sequence exists.
Solution
Write \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] We will first produce a sufficiently large pile in \(B_4\), with all other boxes empty. We can then remove surplus coins from \(B_4\) and obtain exactly \(N\) coins in \(B_6\).
Apply Type 1 once at \(B_1\), and then three times at \(B_2\). This empties \(B_1,B_2\) and leaves seven coins in \(B_3\). From now on, write \((a,b,c,d)\) for the contents of \(B_3,B_4,B_5,B_6\); the first two boxes remain empty.
Applying Type 1 at \(B_5\), then Type 2 at \(B_4\), and then Type 2 at \(B_3\), gives \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
We next prove that, for any integers \(a\ge1\) and \(b\ge2\), we can achieve \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
First apply Type 1 once at \(B_4\), then twice at \(B_5\): \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] Whenever the configuration is \((a,r,0,c)\) with \(r\ge1\), applying Type 2 at \(B_4\), followed by \(c\) applications of Type 1 at \(B_5\), gives \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] Repeat this procedure \(b-2\) times. The resulting configuration is \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] Finally apply Type 2 at \(B_4\), and then at \(B_3\): \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] This proves (1), including \(b=2\), when the repeated procedure is performed zero times. Every operation is legal, and each sequence is finite.
Define \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] Starting from \((6,3,0,0)\), apply (1) six times. We obtain \[ (0,t_6,0,0). \] Thus only \(B_4\) is nonempty, containing \(M=t_6\) coins.
To check that this is sufficient, observe that \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] Since \(2010<2^{11}\), \(11<2^4\), and \(22114<2^{15}<2^{256}\), we have \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
Because \(2010\) is even and \(2010^{2010}\ge2\), the number \[ q=\frac N4 \] is a positive integer. Apply Type 2 at \(B_4\) exactly \(M-q\) times. Both \(B_5\) and \(B_6\) are empty, so each operation simply removes one coin from \(B_4\). We are left with exactly \(q\) coins there.
Finally, apply Type 1 at \(B_4\) exactly \(q\) times, producing \(2q\) coins in \(B_5\), and then apply Type 1 at \(B_5\) exactly \(2q\) times. All of \(B_1,\ldots,B_5\) are now empty, and \(B_6\) contains \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] coins. The entire sequence is finite, as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2010 · Aufgabe 5
In jedem von sechs Behältern \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) und \(B_6\) befindet sich zu Beginn genau eine Münze. Es gibt zwei Typen von erlaubten Operationen:
Typ 1: Man wähle einen nicht-leeren Behälter \(B_j\) mit \(1\le j\le5\) aus. Man entferne eine Münze aus \(B_j\) und füge zum Behälter \(B_{j+1}\) zwei Münzen hinzu.
Typ 2: Man wähle einen nicht-leeren Behälter \(B_k\) mit \(1\le k\le4\) aus. Man entferne eine Münze aus \(B_k\) und vertausche die Inhalte der (möglicherweise leeren) Behälter \(B_{k+1}\) und \(B_{k+2}\).
Man entscheide, ob es eine endliche Folge von solchen Operationen gibt, nach deren Ausführung die ersten fünf Behälter \(B_1,B_2,B_3,B_4\) und \(B_5\) leer sind und der sechste Behälter \(B_6\) genau \(2010^{2010^{2010}}\) Münzen enthält. (Man beachte: \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\).)
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Ja, eine solche endliche Folge existiert.
Lösung
Wir schreiben \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] Wir werden zunächst einen hinreichend großen Münzvorrat in \(B_4\) erzeugen, wobei alle anderen Behälter leer sind. Danach können wir die überschüssigen Münzen aus \(B_4\) entfernen und genau \(N\) Münzen in \(B_6\) erhalten.
Wir wenden Typ 1 einmal bei \(B_1\) und dann dreimal bei \(B_2\) an. Dadurch werden \(B_1,B_2\) geleert, und in \(B_3\) liegen anschließend sieben Münzen. Von nun an schreiben wir \((a,b,c,d)\) für die Inhalte von \(B_3,B_4,B_5,B_6\); die ersten beiden Behälter bleiben leer.
Wenden wir Typ 1 bei \(B_5\), dann Typ 2 bei \(B_4\) und schließlich Typ 2 bei \(B_3\) an, so ergibt sich \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
Als Nächstes beweisen wir, dass wir für beliebige ganze Zahlen \(a\ge1\) und \(b\ge2\) den folgenden Übergang erreichen können: \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
Zunächst wenden wir Typ 1 einmal bei \(B_4\) und dann zweimal bei \(B_5\) an: \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] Liegt eine Konfiguration \((a,r,0,c)\) mit \(r\ge1\) vor, so ergibt die Anwendung von Typ 2 bei \(B_4\), gefolgt von \(c\) Anwendungen von Typ 1 bei \(B_5\), \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] Wir wiederholen dieses Verfahren \(b-2\) Mal. Die resultierende Konfiguration ist \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] Schließlich wenden wir Typ 2 bei \(B_4\) und dann bei \(B_3\) an: \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] Dies beweist (1), einschließlich des Falls \(b=2\), in dem das zu wiederholende Verfahren kein einziges Mal ausgeführt wird. Jede Operation ist erlaubt, und jede Folge ist endlich.
Wir definieren \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] Ausgehend von \((6,3,0,0)\) wenden wir (1) sechsmal an. Wir erhalten \[ (0,t_6,0,0). \] Somit ist nur \(B_4\) nicht leer und enthält \(M=t_6\) Münzen.
Um zu überprüfen, dass dies ausreicht, beachten wir, dass \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] Wegen \(2010<2^{11}\), \(11<2^4\) und \(22114<2^{15}<2^{256}\) gilt \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
Da \(2010\) gerade ist und \(2010^{2010}\ge2\) gilt, ist die Zahl \[ q=\frac N4 \] eine positive ganze Zahl. Wir wenden Typ 2 bei \(B_4\) genau \(M-q\) Mal an. Sowohl \(B_5\) als auch \(B_6\) sind leer, sodass jede Operation lediglich eine Münze aus \(B_4\) entfernt. Dort verbleiben genau \(q\) Münzen.
Schließlich wenden wir Typ 1 bei \(B_4\) genau \(q\) Mal an, wodurch \(2q\) Münzen in \(B_5\) entstehen, und wenden dann Typ 1 bei \(B_5\) genau \(2q\) Mal an. Nun sind alle Behälter \(B_1,\ldots,B_5\) leer, und \(B_6\) enthält \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] Münzen. Die gesamte Folge ist endlich, wie gefordert.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2010 · Soru 5
\(B_1, B_2, B_3, B_4, B_5, B_6\) ile gösterilen altı kutunun her birinde başlangıçta birer madenî para bulunuyor. İki tip işleme izin veriliyor:
Tip 1: \(1\le j\le5\) olacak biçimde, boş olmayan bir \(B_j\) kutusu seçiyoruz. \(B_j\) den bir madenî para çıkarıyoruz ve \(B_{j+1}\) e iki madenî para koyuyoruz.
Tip 2: \(1\le k\le4\) olacak biçimde, boş olmayan bir \(B_k\) kutusu seçiyoruz. \(B_k\) den bir madenî para çıkarıyoruz ve (boş da olsalar) \(B_{k+1}\) ile \(B_{k+2}\) kutularının içeriklerini birbiriyle değiştiriyoruz.
Sonucunda, \(B_1, B_2, B_3, B_4, B_5\) kutularının boş olmasını ve \(B_6\) kutusunda da tam olarak \(2010^{2010^{2010}}\) madenî para olmasını sağlayan sonlu bir işlemler dizisi bulunup bulunmadığını belirleyiniz. (Burada \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\) dir.)
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Evet, böyle sonlu bir dizi vardır.
Çözüm
\[ N=2010^{2010^{2010}} \] yazalım. Önce diğer tüm kutular boşken \(B_4\) te yeterince büyük bir para yığını oluşturacağız. Ardından \(B_4\) teki fazla paraları çıkarıp \(B_6\) da tam olarak \(N\) para elde edebiliriz.
\(B_1\) de bir kez, ardından \(B_2\) de üç kez Tip 1 işlemi uygulayalım. Bu, \(B_1,B_2\) yi boşaltır ve \(B_3\) te yedi para bırakır. Bundan sonra \(B_3,B_4,B_5,B_6\) kutularındaki para sayılarını \((a,b,c,d)\) ile gösterelim; ilk iki kutu boş kalacaktır.
\(B_5\) te Tip 1, ardından \(B_4\) te Tip 2 ve ardından \(B_3\) te Tip 2 işlemi uygulamak, \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0) \] sonucunu verir.
Şimdi, herhangi \(a\ge1\) ve \(b\ge2\) tam sayıları için \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0) \tag{1} \] geçişini gerçekleştirebileceğimizi kanıtlayalım.
Önce \(B_4\) te bir kez, sonra \(B_5\) te iki kez Tip 1 işlemi uygulayalım: \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] Durum \(r\ge1\) olmak üzere \((a,r,0,c)\) olduğunda, \(B_4\) te Tip 2 işlemi ve ardından \(B_5\) te \(c\) kez Tip 1 işlemi uygulamak, \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c) \] sonucunu verir. Bu adımları \(b-2\) kez tekrarlayalım. Elde edilen durum \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b) \] olur. Son olarak \(B_4\) te, ardından \(B_3\) te Tip 2 işlemi uygulayalım: \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] Bu, tekrarlanan adımların sıfır kez uygulandığı \(b=2\) durumu da dahil olmak üzere (1) i kanıtlar. Her işleme izin verilir ve her dizi sonludur.
\[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6) \] olarak tanımlayalım. \((6,3,0,0)\) dan başlayarak (1) i altı kez uygulayalım. \[ (0,t_6,0,0) \] elde ederiz. Böylece yalnızca \(B_4\) boş değildir ve \(M=t_6\) para içerir.
Bunun yeterli olduğunu kontrol etmek için \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}} \] olduğuna dikkat edelim. \(2010<2^{11}\), \(11<2^4\) ve \(22114<2^{15}<2^{256}\) olduğundan, \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M \end{aligned} \] elde edilir.
\(2010\) çift ve \(2010^{2010}\ge2\) olduğundan, \[ q=\frac N4 \] sayısı bir pozitif tam sayıdır. \(B_4\) te tam olarak \(M-q\) kez Tip 2 işlemi uygulayalım. Hem \(B_5\) hem de \(B_6\) boş olduğundan, her işlem yalnızca \(B_4\) ten bir para çıkarır. Orada tam olarak \(q\) para kalır.
Son olarak, \(B_4\) te tam olarak \(q\) kez Tip 1 işlemi uygulayarak \(B_5\) te \(2q\) para oluşturalım ve ardından \(B_5\) te tam olarak \(2q\) kez Tip 1 işlemi uygulayalım. Artık \(B_1,\ldots,B_5\) kutularının hepsi boştur ve \(B_6\) da \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] para vardır. İstendiği gibi, tüm dizi sonludur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2010 · Problema 5
En cada una de las seis cajas \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6\) hay inicialmente sólo una moneda. Se permiten dos tipos de operaciones:
Tipo 1: Elegir una caja no vacía \(B_j\), con \(1\le j\le5\). Retirar una moneda de \(B_j\) y añadir dos monedas a \(B_{j+1}\).
Tipo 2: Elegir una caja no vacía \(B_k\), con \(1\le k\le4\). Retirar una moneda de \(B_k\) e intercambiar los contenidos de las cajas (posiblemente vacías) \(B_{k+1}\) y \(B_{k+2}\).
Determine si existe una sucesión finita de estas operaciones que deja a las cajas \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) vacías y a la caja \(B_6\) con exactamente \(2010^{2010^{2010}}\) monedas. (Observe que \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\).)
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sí, existe tal sucesión finita.
Solución
Escribamos \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] Primero reuniremos una cantidad suficientemente grande de monedas en \(B_4\), dejando vacías todas las demás cajas. Después podremos retirar las monedas sobrantes de \(B_4\) y obtener exactamente \(N\) monedas en \(B_6\).
Apliquemos una operación de tipo 1 en \(B_1\), y después tres operaciones de tipo 1 en \(B_2\). Esto vacía \(B_1,B_2\) y deja siete monedas en \(B_3\). En lo sucesivo, escribiremos \((a,b,c,d)\) para los contenidos de \(B_3,B_4,B_5,B_6\); las dos primeras cajas permanecen vacías.
Aplicando una operación de tipo 1 en \(B_5\), después una de tipo 2 en \(B_4\), y luego una de tipo 2 en \(B_3\), se obtiene \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
A continuación demostraremos que, para cualesquiera enteros \(a\ge1\) y \(b\ge2\), podemos conseguir \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
Primero apliquemos una operación de tipo 1 en \(B_4\), y después dos de tipo 1 en \(B_5\): \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] Siempre que la configuración sea \((a,r,0,c)\) con \(r\ge1\), aplicar una operación de tipo 2 en \(B_4\), seguida de \(c\) operaciones de tipo 1 en \(B_5\), da \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] Repitamos este procedimiento \(b-2\) veces. La configuración resultante es \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] Finalmente apliquemos una operación de tipo 2 en \(B_4\), y después otra en \(B_3\): \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] Esto demuestra (1), incluido el caso \(b=2\), en el que el procedimiento repetido se realiza cero veces. Todas las operaciones están permitidas y cada sucesión es finita.
Definamos \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] Partiendo de \((6,3,0,0)\), apliquemos (1) seis veces. Obtenemos \[ (0,t_6,0,0). \] Así, sólo \(B_4\) está no vacía y contiene \(M=t_6\) monedas.
Para comprobar que esto es suficiente, observemos que \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] Como \(2010<2^{11}\), \(11<2^4\) y \(22114<2^{15}<2^{256}\), tenemos \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
Como \(2010\) es par y \(2010^{2010}\ge2\), el número \[ q=\frac N4 \] es un entero positivo. Apliquemos una operación de tipo 2 en \(B_4\) exactamente \(M-q\) veces. Tanto \(B_5\) como \(B_6\) están vacías, por lo que cada operación simplemente retira una moneda de \(B_4\). Quedan allí exactamente \(q\) monedas.
Finalmente, apliquemos una operación de tipo 1 en \(B_4\) exactamente \(q\) veces, produciendo \(2q\) monedas en \(B_5\), y después apliquemos una operación de tipo 1 en \(B_5\) exactamente \(2q\) veces. Todas las cajas \(B_1,\ldots,B_5\) están ahora vacías, y \(B_6\) contiene \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] monedas. La sucesión completa es finita, como se quería demostrar.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2010 · 问题 5
有 \(6\) 个盒子 \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6\),开始时每个盒子中都恰好有一枚硬币。每次可以任意选择如下两种方式之一对它们进行操作:
方式 1:选取一个至少有一枚硬币的盒子 \(B_j\) \((1\le j\le5)\),从盒子 \(B_j\) 中取走一枚硬币,并在盒子 \(B_{j+1}\) 中加入 \(2\) 枚硬币。
方式 2:选取一个至少有一枚硬币的盒子 \(B_k\) \((1\le k\le4)\),从盒子 \(B_k\) 中取走一枚硬币,并且交换盒子 \(B_{k+1}\)(可能是空盒)与盒子 \(B_{k+2}\)(可能是空盒)中的所有硬币。
问:是否可以进行若干次上述操作,使得盒子 \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) 中没有硬币,而盒子 \(B_6\) 中恰好有 \(2010^{2010^{2010}}\) 枚硬币?(注:\(a^{b^c}=a^{(b^c)}\)。)
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
可以,存在这样的有限操作序列。
解答
记 \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] 我们先在 \(B_4\) 中积累足够多的硬币,同时使其他盒子全部为空。然后就可以从 \(B_4\) 中移除多余的硬币,最终使 \(B_6\) 中恰有 \(N\) 枚硬币。
对 \(B_1\) 进行一次方式 1 的操作,然后对 \(B_2\) 进行三次方式 1 的操作。这样便清空了 \(B_1,B_2\),并使 \(B_3\) 中有七枚硬币。此后,用 \((a,b,c,d)\) 表示 \(B_3,B_4,B_5,B_6\) 中的硬币数;前两个盒子始终为空。
先对 \(B_5\) 进行方式 1 的操作,再对 \(B_4\) 进行方式 2 的操作,最后对 \(B_3\) 进行方式 2 的操作,得到 \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
接下来证明,对于任意整数 \(a\ge1\) 和 \(b\ge2\),我们都能实现 \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
先对 \(B_4\) 进行一次方式 1 的操作,再对 \(B_5\) 进行两次方式 1 的操作: \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] 每当状态为 \((a,r,0,c)\) 且 \(r\ge1\) 时,对 \(B_4\) 进行方式 2 的操作,随后对 \(B_5\) 进行 \(c\) 次方式 1 的操作,得到 \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] 将这一过程重复 \(b-2\) 次。所得状态为 \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] 最后,先对 \(B_4\)、再对 \(B_3\) 进行方式 2 的操作: \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] 这就证明了 (1),其中也包括 \(b=2\) 的情形,此时重复过程执行零次。每次操作都符合规则,且每个操作序列都是有限的。
定义 \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] 从 \((6,3,0,0)\) 开始,应用 (1) 六次,得到 \[ (0,t_6,0,0). \] 因此,只有 \(B_4\) 非空,其中有 \(M=t_6\) 枚硬币。
为了核实这些硬币足够多,注意到 \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] 由于 \(2010<2^{11}\)、\(11<2^4\),且 \(22114<2^{15}<2^{256}\),有 \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
由于 \(2010\) 为偶数,且 \(2010^{2010}\ge2\),数 \[ q=\frac N4 \] 是正整数。对 \(B_4\) 恰好进行 \(M-q\) 次方式 2 的操作。\(B_5\) 和 \(B_6\) 均为空,因此每次操作只是从 \(B_4\) 中移除一枚硬币。于是其中恰好剩下 \(q\) 枚硬币。
最后,对 \(B_4\) 恰好进行 \(q\) 次方式 1 的操作,使 \(B_5\) 中产生 \(2q\) 枚硬币,再对 \(B_5\) 恰好进行 \(2q\) 次方式 1 的操作。此时 \(B_1,\ldots,B_5\) 全部为空,而 \(B_6\) 中有 \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] 枚硬币。整个操作序列是有限的,得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2010 · Задача 5
В каждой из шести коробок \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6\) изначально находится ровно по одной монете. Разрешается производить операции следующих двух типов:
Тип 1: Выбрать любую непустую коробку \(B_j\), где \(1\le j\le5\), убрать из нее одну монету, и добавить две монеты в коробку \(B_{j+1}\).
Тип 2: Выбрать любую непустую коробку \(B_k\), где \(1\le k\le4\), убрать из нее одну монету, и поменять местами содержимое (возможно пустое) коробки \(B_{k+1}\) с содержимым (возможно пустым) коробки \(B_{k+2}\).
Существует ли конечная последовательность таких операций, приводящая к ситуации, в которой коробки \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) пусты, а в коробке \(B_6\) находится ровно \(2010^{2010^{2010}}\) монет? (По определению \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\).)
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Да, такая конечная последовательность существует.
Решение
Обозначим \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] Сначала мы получим достаточно большое количество монет в \(B_4\), оставив все остальные коробки пустыми. Затем мы сможем удалить лишние монеты из \(B_4\) и получить ровно \(N\) монет в \(B_6\).
Применим операцию типа 1 один раз к \(B_1\), а затем три раза к \(B_2\). При этом \(B_1,B_2\) опустеют, а в \(B_3\) окажется семь монет. Далее будем обозначать через \((a,b,c,d)\) количества монет в \(B_3,B_4,B_5,B_6\); первые две коробки остаются пустыми.
Применяя операцию типа 1 к \(B_5\), затем операцию типа 2 к \(B_4\), а затем операцию типа 2 к \(B_3\), получаем \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
Теперь докажем, что для любых целых \(a\ge1\) и \(b\ge2\) можно осуществить переход \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
Сначала применим операцию типа 1 один раз к \(B_4\), затем два раза к \(B_5\): \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] Если распределение монет имеет вид \((a,r,0,c)\), где \(r\ge1\), то применение операции типа 2 к \(B_4\), а затем \(c\) операций типа 1 к \(B_5\) даёт \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] Повторим эту процедуру \(b-2\) раза. Получим распределение \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] Наконец, применим операцию типа 2 к \(B_4\), а затем к \(B_3\): \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] Это доказывает (1), в том числе при \(b=2\), когда повторяемая процедура выполняется ноль раз. Все операции допустимы, и каждая последовательность конечна.
Определим \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] Начиная с \((6,3,0,0)\), применим (1) шесть раз. Получим \[ (0,t_6,0,0). \] Таким образом, непустой остаётся только \(B_4\), содержащая \(M=t_6\) монет.
Чтобы проверить, что этого достаточно, заметим, что \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] Поскольку \(2010<2^{11}\), \(11<2^4\) и \(22114<2^{15}<2^{256}\), имеем \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
Поскольку \(2010\) чётно и \(2010^{2010}\ge2\), число \[ q=\frac N4 \] является целым положительным. Применим операцию типа 2 к \(B_4\) ровно \(M-q\) раз. Обе коробки \(B_5\) и \(B_6\) пусты, поэтому каждая операция просто удаляет одну монету из \(B_4\). В ней останется ровно \(q\) монет.
Наконец, применим операцию типа 1 к \(B_4\) ровно \(q\) раз, получив \(2q\) монет в \(B_5\), а затем применим операцию типа 1 к \(B_5\) ровно \(2q\) раз. Теперь все коробки \(B_1,\ldots,B_5\) пусты, а \(B_6\) содержит \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] монет. Вся последовательность конечна, что и требовалось.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2010 · المسألة 5
لدينا ستة صناديق \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6\). في البداية يوجد في كل صندوق قطعة نقدية واحدة. هناك صنفين من العمليات المسموح بها :
الصنف الأول : نختار صندوق غير فارغ \(B_j\) حيث \(1\le j\le5\). نسحب قطعة نقدية واحدة من الصندوق \(B_j\) ونضيف قطعتين نقديتين إلى الصندوق \(B_{j+1}\).
الصنف الثاني : نختار صندوق غير فارغ \(B_k\) حيث \(1\le k\le4\). نسحب قطعة نقدية واحدة من \(B_k\) ونبادل بين محتوى الصندوقين (ممكن أن يكونا فارغين) \(B_{k+1}\) و \(B_{k+2}\). هل من الممكن بعد سلسلة منتهية من هذه العمليات أن نحصل على النتيجة التالية : الصناديق \(B_1,B_2,B_3,B_4,B_5\) فارغة والصندوق \(B_6\) يحتوي بالضبط على \(2010^{2010^{2010}}\) من قطع النقود (لاحظ أن \(a^{b^c}=a^{(b^c)}\)) ؟
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
نعم، توجد مثل هذه السلسلة المنتهية.
الحل
لنكتب \[ N=2010^{2010^{2010}}. \] سنكوّن أولًا كومة كبيرة بما يكفي في \(B_4\)، مع إفراغ جميع الصناديق الأخرى. ويمكننا بعد ذلك إزالة القطع النقدية الزائدة من \(B_4\) والحصول على \(N\) قطعة نقدية بالضبط في \(B_6\).
نطبق الصنف الأول مرة واحدة على \(B_1\)، ثم ثلاث مرات على \(B_2\). يؤدي هذا إلى إفراغ \(B_1,B_2\) وترك سبع قطع نقدية في \(B_3\). من الآن فصاعدًا، نرمز بـ\((a,b,c,d)\) إلى محتويات \(B_3,B_4,B_5,B_6\)؛ ويظل الصندوقان الأولان فارغين.
بتطبيق الصنف الأول على \(B_5\)، ثم الصنف الثاني على \(B_4\)، ثم الصنف الثاني على \(B_3\)، نحصل على \[ (7,1,1,1)\longrightarrow(7,1,0,3) \longrightarrow(7,0,3,0)\longrightarrow(6,3,0,0). \]
نثبت بعد ذلك أنه لأي عددين صحيحين \(a\ge1\) و\(b\ge2\)، يمكننا تحقيق \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \tag{1} \]
نطبق أولًا الصنف الأول مرة واحدة على \(B_4\)، ثم مرتين على \(B_5\): \[ (a,b,0,0)\longrightarrow(a,b-1,2,0) \longrightarrow(a,b-1,0,4). \] كلما كانت الحالة \((a,r,0,c)\) مع \(r\ge1\)، فإن تطبيق الصنف الثاني على \(B_4\)، ثم تطبيق الصنف الأول \(c\) مرة على \(B_5\)، يعطي \[ (a,r,0,c)\longrightarrow(a,r-1,c,0) \longrightarrow(a,r-1,0,2c). \] نكرر هذا الإجراء \(b-2\) مرة. فتكون الحالة الناتجة \[ (a,1,0,4\cdot2^{b-2})=(a,1,0,2^b). \] أخيرًا نطبق الصنف الثاني على \(B_4\)، ثم على \(B_3\): \[ (a,1,0,2^b)\longrightarrow(a,0,2^b,0) \longrightarrow(a-1,2^b,0,0). \] وهذا يثبت (1)، بما في ذلك الحالة \(b=2\)، التي يُنفذ فيها الإجراء المكرر صفر مرة. كل عملية مسموح بها، وكل سلسلة منتهية.
نعرّف \[ t_0=3,\qquad t_{i+1}=2^{t_i}\quad(0\le i<6). \] انطلاقًا من \((6,3,0,0)\)، نطبق (1) ست مرات. فنحصل على \[ (0,t_6,0,0). \] إذن \(B_4\) وحده غير فارغ، ويحتوي على \(M=t_6\) قطعة نقدية.
للتحقق من أن هذا يكفي، نلاحظ أن \[ t_1=8,\qquad t_2=256,\qquad t_5=2^{2^{2^{256}}}. \] بما أن \(2010<2^{11}\)، و\(11<2^4\)، و\(22114<2^{15}<2^{256}\)، فإن لدينا \[ \begin{aligned} N &<(2^{11})^{(2^{11})^{2010}}\\ &=2^{11\cdot2^{22110}}\\ &<2^{2^{22114}}\\ &<2^{2^{2^{256}}} =t_5<t_6=M. \end{aligned} \]
لأن \(2010\) زوجي و\(2010^{2010}\ge2\)، فإن العدد \[ q=\frac N4 \] عدد صحيح موجب. نطبق الصنف الثاني على \(B_4\) عدد \(M-q\) مرة بالضبط. كل من \(B_5\) و\(B_6\) فارغ، لذا فإن كل عملية تزيل فقط قطعة نقدية واحدة من \(B_4\). فيتبقى فيه \(q\) قطعة نقدية بالضبط.
أخيرًا، نطبق الصنف الأول على \(B_4\) عدد \(q\) مرة بالضبط، فنحصل على \(2q\) قطعة نقدية في \(B_5\)، ثم نطبق الصنف الأول على \(B_5\) عدد \(2q\) مرة بالضبط. أصبحت جميع الصناديق \(B_1,\ldots,B_5\) فارغة، ويحتوي \(B_6\) على \[ 4q=N=2010^{2010^{2010}} \] قطعة نقدية. والسلسلة بأكملها منتهية، كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.