IMO 2012 · Problem 3
The liar’s guessing game is a game played between two players \(A\) and \(B\). The rules of the game depend on two positive integers \(k\) and \(n\) which are known to both players.
At the start of the game \(A\) chooses integers \(x\) and \(N\) with \(1 \le x \le N\). Player \(A\) keeps \(x\) secret, and truthfully tells \(N\) to player \(B\). Player \(B\) now tries to obtain information about \(x\) by asking player \(A\) questions as follows: each question consists of \(B\) specifying an arbitrary set \(S\) of positive integers (possibly one specified in some previous question), and asking \(A\) whether \(x\) belongs to \(S\). Player \(B\) may ask as many such questions as he wishes. After each question, player \(A\) must immediately answer it with yes or no, but is allowed to lie as many times as she wants; the only restriction is that, among any \(k+1\) consecutive answers, at least one answer must be truthful.
After \(B\) has asked as many questions as he wants, he must specify a set \(X\) of at most \(n\) positive integers. If \(x\) belongs to \(X\), then \(B\) wins; otherwise, he loses. Prove that:
- If \(n \ge 2^k\), then \(B\) can guarantee a win.
- For all sufficiently large \(k\), there exists an integer \(n \ge 1.99^k\) such that \(B\) cannot guarantee a win.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
For a given history of questions and answers, call \(y\in\{1,\ldots,N\}\) possible if that history would satisfy the restriction on lies when \(x=y\). The actual value \(x\) always remains possible.
For each possible \(y\), let \(d(y)\) be the number of consecutive lies at the end of the history, assuming \(x=y\). Initially \(d(y)=0\). A truthful answer resets \(d(y)\) to \(0\); a lie increases it by \(1\). If it reaches \(k+1\), the value \(y\) becomes impossible and is discarded.
1. The winning strategy when \(n\ge 2^k\).
We show that whenever more than \(2^k\) values remain possible, \(B\) can force at least one of them to be discarded after finitely many questions.
Define \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] so that \(w_{k+1}=0\). If \(C\) is the current set of possible values, put \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] The quantity \(\Phi\) is a nonnegative integer.
For a question specified by \(S\), let \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) and \(\Phi_{\mathrm{no}}\) be the potentials after the two possible answers. Each candidate of age \(i\) contributes \(w_0\) after one answer and \(w_{i+1}\) after the other. Since \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] we have \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] Also, writing \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] we obtain \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
Suppose now that \(m>2^k\).
If at least two candidates have age \(k\), \(B\) asks a question whose set contains one of them and excludes another. Either answer is a lie for one of these candidates, so at least one is discarded.
Otherwise, at most one candidate has age \(k\). Set \[ T=2^k-1. \] All the weights \(a(y)\) are positive integers at most \(T\), except possibly one weight equal to \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] We claim that these weights can be divided into two groups whose sums differ by at most \(T\).
To prove this, place the weights, in nonincreasing order, into whichever group currently has the smaller sum. Once the difference between the sums is at most \(T\), it remains so: each subsequent weight is at most \(T\). Thus only an initial weight \(2T+1\) could cause difficulty. Until the difference becomes at most \(T\), every subsequent weight goes into the opposite group. The total of those subsequent weights is at least \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] so the difference must eventually become at most \(T\). This proves the claim.
Let \(S\) consist of the candidates in one of these two groups. By (1) and (2), either answer gives \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] because \(m\ge 2^k+1=T+2\).
Consequently, whenever \(m>2^k\), \(B\) can ask a question which either guarantees a discard or decreases \(\Phi\) under both answers. If no candidate were discarded, the nonnegative integer \(\Phi\) would decrease at every step, which cannot continue indefinitely. Hence \(B\) can force a discard in finitely many questions.
Repeating this procedure, \(B\) eventually has at most \(2^k\) possible values. He chooses these values as \(X\). Since the actual \(x\) is among them and \(2^k\le n\), he wins.
2. The lower bound.
We first prove a counting claim. Suppose that \(N\) and a real number \(r\), with \(1<r<2\), satisfy \[ N\le (2-r)r^k. \tag{3} \] Then, for any strategy of \(B\), there exists an infinite sequence of answers which satisfies the restriction on lies simultaneously for every \(x\in\{1,\ldots,N\}\).
Fix a strategy of \(B\). It determines the next question after every answer history. If the strategy stops at some history, extend it beyond that history by arbitrary questions; this merely lets us discuss answer sequences of every length.
Call an answer history good if it is legal for every \(x\in\{1,\ldots,N\}\), and let \(g_t\) be the number of good histories of length \(t\). In particular, \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
For \(t\ge k+1\), consider the \(2g_{t-1}\) one-answer extensions of good histories of length \(t-1\). If such an extension is not good, its last \(k+1\) answers must all be lies for at least one candidate \(y\).
For any fixed history of length \(t-k-1\) and any fixed \(y\), there is exactly one continuation of length \(k+1\) consisting entirely of lies for \(y\): at every step, give the opposite of the truthful answer to the question prescribed by \(B\)'s strategy. This remains true even though the questions depend on earlier answers.
The prefix of length \(t-k-1\) of a newly bad extension is good. Therefore the number of newly bad extensions is at most \(Ng_{t-k-1}\), giving \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1}. \tag{5} \]
We prove inductively that \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] For \(t\le k\), this follows from (4) and \(r<2\). For \(t\ge k+1\), the preceding \(k\) instances of (6) give \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] Using (5) and then (3), \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] Thus (6) holds, and in particular \(g_t>0\) for every \(t\).
There is consequently an infinite answer sequence all of whose finite prefixes are good. Indeed, good histories form a tree with at most two children at each vertex and vertices at arbitrarily large depths. Starting at the root, repeatedly choose a child having good descendants at arbitrarily large depths; such a child always exists because there are only two children. The resulting infinite path proves the counting claim.
Now choose \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] For all sufficiently large \(k\), condition (3) holds. To see this, observe that \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] whereas \(2-r=0.005>0\).
Fix any proposed strategy of \(B\), with this value of \(N\), and take the infinite answer sequence provided by the claim. Every candidate \(1,\ldots,N\) remains possible throughout that sequence.
If \(B\) never stops along this sequence, his strategy does not guarantee a win in finitely many questions. If he stops and announces \(X\), then \[ |X|\le n=N-1, \] so some \(y\in\{1,\ldots,N\}\) is absent from \(X\). Player \(A\) can choose this \(y\) as her secret value initially and give the constructed answers up to the stopping point. All these answers satisfy the restriction for \(x=y\), and \(B\) loses. The secret value is chosen before play: the argument first analyzes the fixed strategy of \(B\), then specifies this counterplay.
Thus \(B\) cannot guarantee a win for the integer \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\), for every sufficiently large \(k\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2012 · Aufgabe 3
Das Ratespiel des Lügners ist ein Spiel, das von zwei Spielern \(A\) und \(B\) gespielt wird. Die Spielregeln hängen von zwei positiven ganzen Zahlen \(k\) und \(n\) ab, die beiden Spielern bekannt sind.
Zu Beginn des Spiels wählt \(A\) ganze Zahlen \(x\) und \(N\) mit \(1\le x\le N\). \(A\) hält \(x\) geheim und teilt \(N\) dem Spieler \(B\) wahrheitsgemäß mit. Nun versucht Spieler \(B\) Informationen über \(x\) herauszufinden, indem er Fragen von folgendem Typ an \(A\) richtet. Jede Frage besteht darin, eine beliebige Menge \(S\) positiver ganzer Zahlen (möglicherweise dieselbe Menge einer früheren Frage) zu nennen und \(A\) zu fragen, ob \(x\) in \(S\) enthalten ist. Der Spieler \(B\) darf beliebig viele derartige Fragen stellen. Der Spieler \(A\) muss jede Frage von \(B\) sofort mit ja oder nein beantworten, wobei er so oft lügen darf wie er möchte. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass es unter je \(k+1\) aufeinander folgenden Antworten mindestens eine wahrheitsgemäße geben muss.
Nachdem \(B\) so viele Fragen gestellt hat, wie er wollte, muss er eine Menge \(X\) nennen, die aus höchstens \(n\) positiven ganzen Zahlen besteht. Wenn \(x\) in \(X\) liegt, gewinnt \(B\). Andernfalls verliert \(B\). Man beweise:
- Wenn \(n\ge 2^k\), so kann \(B\) einen Sieg erzwingen.
- Für alle genügend große \(k\) gibt es ein \(n\ge 1{,}99^k\), so dass \(B\) den Sieg nicht erzwingen kann.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Für einen gegebenen Verlauf von Fragen und Antworten nennen wir \(y\in\{1,\ldots,N\}\) möglich, wenn dieser Verlauf für \(x=y\) die Einschränkung bezüglich der Lügen erfüllen würde. Der tatsächliche Wert \(x\) bleibt stets möglich.
Für jedes mögliche \(y\) sei \(d(y)\) die Anzahl der aufeinanderfolgenden Lügen am Ende des Verlaufs unter der Annahme \(x=y\). Zu Beginn ist \(d(y)=0\). Eine wahrheitsgemäße Antwort setzt \(d(y)\) auf \(0\) zurück; eine Lüge erhöht den Wert um \(1\). Erreicht er \(k+1\), so wird der Wert \(y\) unmöglich und wird ausgeschlossen.
1. Die Gewinnstrategie für \(n\ge 2^k\).
Wir zeigen, dass \(B\), solange mehr als \(2^k\) Werte möglich bleiben, erzwingen kann, dass nach endlich vielen Fragen mindestens einer davon ausgeschlossen wird.
Wir definieren \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] so dass \(w_{k+1}=0\). Ist \(C\) die aktuelle Menge möglicher Werte, so setzen wir \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] Die Größe \(\Phi\) ist eine nichtnegative ganze Zahl.
Für eine durch \(S\) festgelegte Frage seien \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) und \(\Phi_{\mathrm{no}}\) die Potentiale nach den beiden möglichen Antworten. Jeder Kandidat vom Alter \(i\) trägt nach der einen Antwort \(w_0\) und nach der anderen \(w_{i+1}\) bei. Wegen \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] gilt \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] Mit der Bezeichnung \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] erhalten wir außerdem \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
Nehmen wir nun an, dass \(m>2^k\).
Haben mindestens zwei Kandidaten das Alter \(k\), so stellt \(B\) eine Frage, deren Menge einen davon enthält und einen anderen nicht enthält. Jede der beiden Antworten ist für einen dieser Kandidaten eine Lüge, so dass mindestens einer ausgeschlossen wird.
Andernfalls hat höchstens ein Kandidat das Alter \(k\). Wir setzen \[ T=2^k-1. \] Alle Gewichte \(a(y)\) sind positive ganze Zahlen höchstens \(T\), mit Ausnahme möglicherweise eines Gewichts gleich \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] Wir behaupten, dass sich diese Gewichte in zwei Gruppen aufteilen lassen, deren Summen sich um höchstens \(T\) unterscheiden.
Zum Beweis ordnen wir die Gewichte in nicht zunehmender Reihenfolge jeweils der Gruppe zu, deren Summe gerade kleiner ist. Sobald der Unterschied zwischen den Summen höchstens \(T\) beträgt, bleibt dies so: Jedes nachfolgende Gewicht ist höchstens \(T\). Somit könnte nur ein erstes Gewicht \(2T+1\) Schwierigkeiten verursachen. Solange der Unterschied größer als \(T\) ist, wird jedes nachfolgende Gewicht der anderen Gruppe zugeordnet. Die Summe dieser nachfolgenden Gewichte ist mindestens \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] also muss der Unterschied schließlich höchstens \(T\) betragen. Damit ist die Behauptung bewiesen.
Es bestehe \(S\) aus den Kandidaten einer dieser beiden Gruppen. Nach (1) und (2) ergibt jede Antwort \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] denn \(m\ge 2^k+1=T+2\).
Folglich kann \(B\), solange \(m>2^k\), eine Frage stellen, die entweder sicher einen Kandidaten ausschließt oder \(\Phi\) bei beiden Antworten verringert. Würde kein Kandidat ausgeschlossen, so würde die nichtnegative ganze Zahl \(\Phi\) bei jedem Schritt kleiner, was nicht unbegrenzt fortgesetzt werden kann. Also kann \(B\) in endlich vielen Fragen den Ausschluss eines Kandidaten erzwingen.
Durch Wiederholung dieses Verfahrens hat \(B\) schließlich höchstens \(2^k\) mögliche Werte. Er wählt diese Werte als \(X\). Da der tatsächliche Wert \(x\) darunter ist und \(2^k\le n\) gilt, gewinnt er.
2. Die untere Schranke.
Wir beweisen zunächst eine Zählbehauptung. Es seien \(N\) und eine reelle Zahl \(r\) mit \(1<r<2\) gegeben, für die \[ N\le (2-r)r^k \tag{3} \] gilt. Dann gibt es zu jeder Strategie von \(B\) eine unendliche Folge von Antworten, die die Einschränkung bezüglich der Lügen gleichzeitig für jedes \(x\in\{1,\ldots,N\}\) erfüllt.
Wir fixieren eine Strategie von \(B\). Sie legt nach jedem Antwortverlauf die nächste Frage fest. Endet die Strategie bei einem bestimmten Verlauf, so setzen wir sie über diesen Verlauf hinaus durch beliebige Fragen fort; dies ermöglicht uns lediglich, Antwortfolgen jeder Länge zu betrachten.
Wir nennen einen Antwortverlauf gut, wenn er für jedes \(x\in\{1,\ldots,N\}\) zulässig ist, und bezeichnen mit \(g_t\) die Anzahl der guten Verläufe der Länge \(t\). Insbesondere gilt \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
Für \(t\ge k+1\) betrachten wir die \(2g_{t-1}\) Erweiterungen guter Verläufe der Länge \(t-1\) um jeweils eine Antwort. Ist eine solche Erweiterung nicht gut, so müssen ihre letzten \(k+1\) Antworten für mindestens einen Kandidaten \(y\) sämtlich Lügen sein.
Für jeden festen Verlauf der Länge \(t-k-1\) und jedes feste \(y\) gibt es genau eine Fortsetzung der Länge \(k+1\), die ausschließlich aus Lügen für \(y\) besteht: Bei jedem Schritt gibt man das Gegenteil der wahrheitsgemäßen Antwort auf die durch die Strategie von \(B\) vorgeschriebene Frage. Dies bleibt richtig, obwohl die Fragen von früheren Antworten abhängen.
Der Anfangsabschnitt der Länge \(t-k-1\) einer neu entstandenen schlechten Erweiterung ist gut. Daher beträgt die Anzahl der neu entstandenen schlechten Erweiterungen höchstens \(Ng_{t-k-1}\), woraus \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1} \tag{5} \] folgt.
Wir beweisen durch Induktion, dass \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] Für \(t\le k\) folgt dies aus (4) und \(r<2\). Für \(t\ge k+1\) liefern die vorangehenden \(k\) Fälle von (6) \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] Mit (5) und anschließend (3) ergibt sich \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] Somit gilt (6), und insbesondere ist \(g_t>0\) für jedes \(t\).
Folglich gibt es eine unendliche Antwortfolge, deren sämtliche endlichen Anfangsabschnitte gut sind. Tatsächlich bilden die guten Verläufe einen Baum mit höchstens zwei Kindern an jedem Knoten und Knoten in beliebig großer Tiefe. Beginnend bei der Wurzel wählen wir wiederholt ein Kind, das gute Nachkommen in beliebig großer Tiefe hat; ein solches Kind existiert stets, da es nur zwei Kinder gibt. Der so entstehende unendliche Pfad beweist die Zählbehauptung.
Nun wählen wir \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] Für alle genügend großen \(k\) gilt Bedingung (3). Um dies zu sehen, beachten wir, dass \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] während \(2-r=0.005>0\) ist.
Wir fixieren eine beliebige vorgeschlagene Strategie von \(B\) für diesen Wert von \(N\) und wählen die durch die Behauptung gegebene unendliche Antwortfolge. Jeder Kandidat \(1,\ldots,N\) bleibt während dieser gesamten Folge möglich.
Hört \(B\) entlang dieser Folge niemals auf, so garantiert seine Strategie keinen Sieg nach endlich vielen Fragen. Hört er auf und nennt \(X\), so gilt \[ |X|\le n=N-1, \] also fehlt ein \(y\in\{1,\ldots,N\}\) in \(X\). Spieler \(A\) kann dieses \(y\) zu Beginn als seinen geheimen Wert wählen und bis zum Ende die konstruierten Antworten geben. Alle diese Antworten erfüllen die Einschränkung für \(x=y\), und \(B\) verliert. Der geheime Wert wird vor Spielbeginn gewählt: Das Argument analysiert zunächst die feste Strategie von \(B\) und legt dann dieses Gegenspiel fest.
Somit kann \(B\) für die ganze Zahl \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\) für jedes genügend große \(k\) keinen Sieg erzwingen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2012 · Soru 3
Yalancının sayısını tahmin etme oyunu, \(A\) ve \(B\) oyuncuları arasında oynanan bir oyundur. Oyun, her iki oyuncuya da önceden bildirilen \(k\) ve \(n\) pozitif tam sayılarına göre oynanıyor.
Oyunun başında \(A\) oyuncusu \(1\le x\le N\) olacak şekilde \(x\) ve \(N\) tam sayılarını seçer ve \(N\) sayısının ne olduğunu \(B\) oyuncusuna dürüstçe söyler, fakat \(x\) sayısını gizli tutar. Daha sonra \(B\) oyuncusu \(A\) oyuncusuna sorular sorarak \(x\) sayısı hakkında bilgi edinmeye çalışır. Her defasında \(B\) oyuncusu pozitif tam sayılardan oluşan bir \(S\) kümesi belirler (bu küme daha önceki bir soruda geçen küme de olabilir) ve \(A\) oyuncusuna "\(x\) sayısı \(S\) kümesinin elemanı mıdır?" diye sorar. \(B\) oyuncusu istediği kadar soru sorabilir. \(A\) oyuncusu \(B\)’nin her sorusunu cevabı evet veya hayır olacak şekilde anında yanıtlar. \(A\) oyuncusu istediği kadar yalan söyleyebilir, fakat herhangi ardışık \(k+1\) cevabından en az biri doğru olmak zorundadır.
\(B\) oyuncusu istediği kadar soru sorduktan sonra en fazla \(n\) pozitif tam sayıdan oluşan bir \(X\) kümesi belirlemelidir. Eğer \(x\) sayısı \(X\) kümesinin elemanı ise \(B\) oyunu kazanır, aksi durumda kaybeder.
-
\(n\ge 2^k\) ise, \(B\) oyuncusunun oyunu kazanmayı garantileyebileceğini kanıtlayınız.
-
Yeterince büyük her \(k\) tam sayısı için, \(B\) oyuncusunun oyunu kazanmayı garantilemesinin mümkün olmadığı bir \(n\ge 1.99^k\) tam sayısının bulunduğunu kanıtlayınız.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Verilen bir soru ve cevap geçmişi için, \(x=y\) olduğunda bu geçmiş yalanlara ilişkin kısıtlamayı sağlıyorsa \(y\in\{1,\ldots,N\}\) değerine mümkün diyelim. Gerçek \(x\) değeri her zaman mümkün kalır.
Her mümkün \(y\) için, \(x=y\) varsayımı altında geçmişin sonundaki ardışık yalan sayısı \(d(y)\) olsun. Başlangıçta \(d(y)=0\)’dır. Doğru bir cevap \(d(y)\)’yi \(0\)’a sıfırlar; bir yalan ise \(1\) artırır. Bu sayı \(k+1\)’e ulaşırsa \(y\) değeri imkânsız hâle gelir ve elenir.
1. \(n\ge 2^k\) olduğunda kazandıran strateji.
Mümkün kalan değerlerin sayısı \(2^k\)’den fazla olduğunda, \(B\)’nin sonlu sayıda sorudan sonra bunlardan en az birinin elenmesini sağlayabileceğini göstereceğiz.
\[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] olarak tanımlayalım; böylece \(w_{k+1}=0\) olur. Mümkün değerlerin mevcut kümesi \(C\) ise, \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)} \] olarak alalım. \(\Phi\) niceliği negatif olmayan bir tam sayıdır.
\(S\) ile belirlenen bir soru için, iki olası cevaptan sonraki potansiyeller \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) ve \(\Phi_{\mathrm{no}}\) olsun. Yaşı \(i\) olan her aday, bir cevaptan sonra \(w_0\), diğerinden sonra ise \(w_{i+1}\) katkıda bulunur. \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] olduğundan, \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m \tag{1} \] elde ederiz. Ayrıca, \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] yazarak \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y) \tag{2} \] buluruz.
Şimdi \(m>2^k\) olduğunu varsayalım.
En az iki adayın yaşı \(k\) ise, \(B\), kümesi bunlardan birini içeren ve diğerini içermeyen bir soru sorar. Hangi cevap verilirse verilsin, bu adaylardan biri için yalan olur; dolayısıyla en az biri elenir.
Aksi hâlde, yaşı \(k\) olan en fazla bir aday vardır. \[ T=2^k-1 \] olsun. En fazla bir ağırlığın \[ 2^{k+1}-1=2T+1 \] değerine eşit olması dışında, tüm \(a(y)\) ağırlıkları en fazla \(T\) olan pozitif tam sayılardır. Bu ağırlıkların, toplamları arasındaki fark en fazla \(T\) olan iki gruba ayrılabileceğini iddia ediyoruz.
Bunu kanıtlamak için ağırlıkları artmayan sırayla, o anda toplamı daha küçük olan gruba yerleştirelim. Toplamlar arasındaki fark bir kez en fazla \(T\) olduğunda öyle kalır: sonraki her ağırlık en fazla \(T\)’dir. Dolayısıyla yalnızca başlangıçtaki bir \(2T+1\) ağırlığı güçlük yaratabilir. Fark en fazla \(T\) olana kadar, sonraki her ağırlık karşı gruba gider. Sonraki bu ağırlıkların toplamı en az \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] olduğundan, fark sonunda mutlaka en fazla \(T\) olur. Bu, iddiayı kanıtlar.
\(S\), bu iki gruptan birindeki adaylardan oluşsun. (1) ve (2)’ye göre, her iki cevap için de \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] elde edilir; çünkü \(m\ge 2^k+1=T+2\)’dir.
Sonuç olarak, \(m>2^k\) olduğunda \(B\), ya bir adayın elenmesini garanti eden ya da her iki cevap altında da \(\Phi\)’yi azaltan bir soru sorabilir. Hiçbir aday elenmeseydi, negatif olmayan \(\Phi\) tam sayısı her adımda azalırdı; bu ise sonsuza kadar süremez. Dolayısıyla \(B\), sonlu sayıda soruda bir adayın elenmesini sağlayabilir.
Bu işlemi tekrarlayarak, \(B\) sonunda en fazla \(2^k\) mümkün değer bırakır. \(X\) olarak bu değerleri seçer. Gerçek \(x\) bunların arasında olduğundan ve \(2^k\le n\) olduğundan kazanır.
2. Alt sınır.
Önce bir sayma iddiasını kanıtlayalım. \(N\) ve \(1<r<2\) koşulunu sağlayan bir \(r\) gerçel sayısı için \[ N\le (2-r)r^k \tag{3} \] olduğunu varsayalım. O zaman, \(B\)’nin herhangi bir stratejisi için, her \(x\in\{1,\ldots,N\}\) için aynı anda yalanlara ilişkin kısıtlamayı sağlayan sonsuz bir cevap dizisi vardır.
\(B\)’nin bir stratejisini sabitleyelim. Bu strateji, her cevap geçmişinden sonraki soruyu belirler. Strateji bir geçmişte duruyorsa, o geçmişten sonrasını keyfî sorularla uzatalım; bu yalnızca her uzunlukta cevap dizilerini ele almamızı sağlar.
Her \(x\in\{1,\ldots,N\}\) için kurallara uygun olan bir cevap geçmişine iyi diyelim ve uzunluğu \(t\) olan iyi geçmişlerin sayısını \(g_t\) ile gösterelim. Özel olarak, \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
\(t\ge k+1\) için, uzunluğu \(t-1\) olan iyi geçmişlerin bir cevap eklenerek elde edilen \(2g_{t-1}\) uzantısını ele alalım. Böyle bir uzantı iyi değilse, son \(k+1\) cevabının tümü en az bir \(y\) adayı için yalan olmalıdır.
Uzunluğu \(t-k-1\) olan herhangi bir sabit geçmiş ve herhangi bir sabit \(y\) için, tamamı \(y\) için yalanlardan oluşan, uzunluğu \(k+1\) olan yalnızca bir devam dizisi vardır: her adımda, \(B\)’nin stratejisinin öngördüğü sorunun doğru cevabının tersini verin. Sorular önceki cevaplara bağlı olsa da bu geçerliliğini korur.
Yeni kötüleşen bir uzantının uzunluğu \(t-k-1\) olan başlangıç kısmı iyidir. Dolayısıyla yeni kötüleşen uzantıların sayısı en fazla \(Ng_{t-k-1}\)’dir ve buradan \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1} \tag{5} \] elde edilir.
Tümevarımla \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1) \tag{6} \] olduğunu kanıtlayacağız. \(t\le k\) için bu, (4)’ten ve \(r<2\) olmasından çıkar. \(t\ge k+1\) için, (6)’nın önceki \(k\) uygulaması \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1} \] verir. (5)’i ve ardından (3)’ü kullanarak, \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1} \] buluruz. Böylece (6) geçerlidir ve özel olarak her \(t\) için \(g_t>0\)’dır.
Dolayısıyla, tüm sonlu başlangıç kısımları iyi olan sonsuz bir cevap dizisi vardır. Gerçekten de iyi geçmişler, her köşesinde en fazla iki çocuk bulunan ve istenildiği kadar büyük derinliklerde köşeleri olan bir ağaç oluşturur. Kökten başlayarak, her seferinde istenildiği kadar büyük derinliklerde iyi torunları olan bir çocuk seçelim; yalnızca iki çocuk bulunduğundan böyle bir çocuk her zaman vardır. Elde edilen sonsuz yol, sayma iddiasını kanıtlar.
Şimdi \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1 \] seçelim. Yeterince büyük tüm \(k\) değerleri için (3) koşulu sağlanır. Bunu görmek için, \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] olduğuna, buna karşılık \(2-r=0.005>0\) olduğuna dikkat edelim.
Bu \(N\) değeriyle, \(B\) için önerilen herhangi bir stratejiyi sabitleyelim ve iddianın sağladığı sonsuz cevap dizisini alalım. \(1,\ldots,N\) adaylarının her biri bu dizi boyunca mümkün kalır.
\(B\) bu dizi boyunca hiç durmazsa, stratejisi sonlu sayıda soruda kazanmayı garanti etmez. Durup \(X\)’i açıklarsa, \[ |X|\le n=N-1, \] olduğundan, bir \(y\in\{1,\ldots,N\}\) değeri \(X\)’te bulunmaz. \(A\) oyuncusu başlangıçta bu \(y\)’yi gizli değeri olarak seçip durma noktasına kadar oluşturulan cevapları verebilir. Bu cevapların tümü \(x=y\) için kısıtlamayı sağlar ve \(B\) kaybeder. Gizli değer oyundan önce seçilir: argüman önce \(B\)’nin sabit stratejisini inceler, sonra bu karşı oyunu belirler.
Böylece, yeterince büyük her \(k\) için, \(B\), \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\) tam sayısı için kazanmayı garanti edemez.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2012 · Problema 3
El juego de la adivinanza del mentiroso es un juego para dos jugadores \(A\) y \(B\). Las reglas del juego dependen de dos enteros positivos \(k\) y \(n\) conocidos por ambos jugadores.
Al principio del juego, el jugador \(A\) elige enteros \(x\) y \(N\) con \(1\le x\le N\). El jugador \(A\) mantiene \(x\) en secreto, y le dice a \(B\) el verdadero valor de \(N\). A continuación, el jugador \(B\) intenta obtener información acerca de \(x\) formulando preguntas a \(A\) de la siguiente manera: en cada pregunta, \(B\) especifica un conjunto arbitrario \(S\) de enteros positivos (que puede ser uno de los especificados en alguna pregunta anterior), y pregunta a \(A\) si \(x\) pertenece a \(S\). El jugador \(B\) puede hacer tantas preguntas de ese tipo como desee. Después de cada pregunta, el jugador \(A\) debe responderla inmediatamente con sí o no, pero puede mentir tantas veces como quiera. La única restricción es que entre cualesquiera \(k+1\) respuestas consecutivas, al menos una debe ser verdadera.
Cuando \(B\) haya formulado tantas preguntas como haya deseado, debe especificar un conjunto \(X\) de a lo más \(n\) enteros positivos. Si \(x\) pertenece a \(X\) entonces gana \(B\); en caso contrario, pierde. Demostrar que:
- Si \(n\ge 2^k\), entonces \(B\) puede asegurarse la victoria.
- Para todo \(k\) suficientemente grande, existe un entero \(n\ge 1{,}99^k\) tal que \(B\) no puede asegurarse la victoria.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Para un historial dado de preguntas y respuestas, llamamos posible a \(y\in\{1,\ldots,N\}\) si ese historial satisficiera la restricción sobre las mentiras cuando \(x=y\). El valor real de \(x\) siempre sigue siendo posible.
Para cada \(y\) posible, sea \(d(y)\) el número de mentiras consecutivas al final del historial, suponiendo que \(x=y\). Inicialmente, \(d(y)=0\). Una respuesta verdadera restablece \(d(y)\) a \(0\); una mentira lo aumenta en \(1\). Si alcanza \(k+1\), el valor \(y\) deja de ser posible y se descarta.
1. La estrategia ganadora cuando \(n\ge 2^k\).
Demostramos que, siempre que queden más de \(2^k\) valores posibles, \(B\) puede forzar que se descarte al menos uno de ellos tras un número finito de preguntas.
Definimos \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] de modo que \(w_{k+1}=0\). Si \(C\) es el conjunto actual de valores posibles, ponemos \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] La cantidad \(\Phi\) es un entero no negativo.
Para una pregunta especificada por \(S\), sean \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) y \(\Phi_{\mathrm{no}}\) los potenciales tras las dos respuestas posibles. Cada candidato de edad \(i\) contribuye \(w_0\) tras una respuesta y \(w_{i+1}\) tras la otra. Como \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] tenemos \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] Además, escribiendo \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] obtenemos \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
Supongamos ahora que \(m>2^k\).
Si al menos dos candidatos tienen edad \(k\), \(B\) hace una pregunta cuyo conjunto contiene a uno de ellos y excluye a otro. Cualquiera de las dos respuestas es una mentira para uno de estos candidatos, por lo que se descarta al menos uno.
En caso contrario, a lo sumo un candidato tiene edad \(k\). Ponemos \[ T=2^k-1. \] Todos los pesos \(a(y)\) son enteros positivos menores o iguales que \(T\), salvo posiblemente un peso igual a \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] Afirmamos que estos pesos pueden dividirse en dos grupos cuyas sumas difieran a lo sumo en \(T\).
Para demostrarlo, colocamos los pesos, en orden no creciente, en el grupo que tenga en ese momento la suma menor. Una vez que la diferencia entre las sumas es a lo sumo \(T\), sigue siéndolo: cada peso posterior es a lo sumo \(T\). Por tanto, solo un peso inicial \(2T+1\) podría causar dificultades. Hasta que la diferencia sea a lo sumo \(T\), cada peso posterior va al grupo opuesto. La suma de esos pesos posteriores es al menos \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] por lo que la diferencia debe acabar siendo a lo sumo \(T\). Esto demuestra la afirmación.
Sea \(S\) el conjunto de los candidatos de uno de estos dos grupos. Por (1) y (2), cualquiera de las dos respuestas da \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] porque \(m\ge 2^k+1=T+2\).
En consecuencia, siempre que \(m>2^k\), \(B\) puede hacer una pregunta que garantice que se descarte un candidato o que disminuya \(\Phi\) con cualquiera de las dos respuestas. Si no se descartara ningún candidato, el entero no negativo \(\Phi\) disminuiría en cada paso, lo que no puede continuar indefinidamente. Por tanto, \(B\) puede forzar que se descarte un candidato en un número finito de preguntas.
Repitiendo este procedimiento, \(B\) acaba teniendo a lo sumo \(2^k\) valores posibles. Elige estos valores como \(X\). Como el valor real de \(x\) está entre ellos y \(2^k\le n\), gana.
2. La cota inferior.
Primero demostramos una afirmación de conteo. Supongamos que \(N\) y un número real \(r\), con \(1<r<2\), satisfacen \[ N\le (2-r)r^k. \tag{3} \] Entonces, para cualquier estrategia de \(B\), existe una sucesión infinita de respuestas que satisface la restricción sobre las mentiras simultáneamente para todo \(x\in\{1,\ldots,N\}\).
Fijemos una estrategia de \(B\). Esta determina la siguiente pregunta después de cada historial de respuestas. Si la estrategia se detiene en algún historial, la prolongamos más allá de ese historial con preguntas arbitrarias; esto simplemente nos permite hablar de sucesiones de respuestas de cualquier longitud.
Llamamos bueno a un historial de respuestas si es válido para todo \(x\in\{1,\ldots,N\}\), y sea \(g_t\) el número de historiales buenos de longitud \(t\). En particular, \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
Para \(t\ge k+1\), consideremos las \(2g_{t-1}\) prolongaciones en una respuesta de los historiales buenos de longitud \(t-1\). Si una de estas prolongaciones no es buena, sus últimas \(k+1\) respuestas deben ser todas mentiras para al menos un candidato \(y\).
Para cualquier historial fijo de longitud \(t-k-1\) y cualquier \(y\) fijo, hay exactamente una continuación de longitud \(k+1\) formada enteramente por mentiras para \(y\): en cada paso, se da la respuesta opuesta a la verdadera a la pregunta prescrita por la estrategia de \(B\). Esto sigue siendo cierto aunque las preguntas dependan de las respuestas anteriores.
El prefijo de longitud \(t-k-1\) de una prolongación que acaba de dejar de ser buena es bueno. Por tanto, el número de prolongaciones que acaban de dejar de ser buenas es a lo sumo \(Ng_{t-k-1}\), lo que da \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1}. \tag{5} \]
Demostramos por inducción que \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] Para \(t\le k\), esto se sigue de (4) y de \(r<2\). Para \(t\ge k+1\), las \(k\) aplicaciones anteriores de (6) dan \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] Usando (5) y después (3), \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] Así, se cumple (6) y, en particular, \(g_t>0\) para todo \(t\).
Existe, por consiguiente, una sucesión infinita de respuestas cuyos prefijos finitos son todos buenos. En efecto, los historiales buenos forman un árbol con a lo sumo dos hijos en cada vértice y con vértices a profundidades arbitrariamente grandes. Partiendo de la raíz, elegimos repetidamente un hijo que tenga descendientes buenos a profundidades arbitrariamente grandes; siempre existe un hijo así porque solo hay dos hijos. El camino infinito resultante demuestra la afirmación de conteo.
Ahora elegimos \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] Para todo \(k\) suficientemente grande, se cumple la condición (3). Para verlo, observamos que \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] mientras que \(2-r=0.005>0\).
Fijemos cualquier estrategia propuesta de \(B\), con este valor de \(N\), y tomemos la sucesión infinita de respuestas proporcionada por la afirmación. Todos los candidatos \(1,\ldots,N\) siguen siendo posibles a lo largo de esa sucesión.
Si \(B\) nunca se detiene a lo largo de esta sucesión, su estrategia no garantiza una victoria en un número finito de preguntas. Si se detiene y anuncia \(X\), entonces \[ |X|\le n=N-1, \] por lo que algún \(y\in\{1,\ldots,N\}\) no pertenece a \(X\). El jugador \(A\) puede elegir este \(y\) como su valor secreto al principio y dar las respuestas construidas hasta el momento en que el juego se detenga. Todas estas respuestas satisfacen la restricción para \(x=y\), y \(B\) pierde. El valor secreto se elige antes de jugar: el argumento analiza primero la estrategia fija de \(B\) y después especifica esta forma de contrarrestarla.
Así, \(B\) no puede asegurarse la victoria para el entero \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\), para todo \(k\) suficientemente grande.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2012 · 问题 3
“欺诈猜数游戏”在两个玩家甲和乙之间进行,游戏依赖于两个甲和乙都知道的正整数 \(k\) 和 \(n\).
游戏开始时甲先选定两个整数 \(x\) 和 \(N\),\(1\le x\le N\). 甲如实告诉乙 \(N\) 的值,但对 \(x\) 守口如瓶. 乙现在试图通过如下方式的提问来获得关于 \(x\) 的信息:每次提问,乙任选一个由若干正整数组成的集合 \(S\)(可以重复使用之前提问中使用过的集合),问甲“\(x\) 是否属于 \(S\)?”. 乙可以提任意数量的问题. 在乙每次提问之后,甲必须对乙的提问立即回答“是”或“否”,甲可以说谎话,并且说谎的次数没有限制,唯一的限制是甲在任意连续 \(k+1\) 次回答中至少有一次回答是真话.
在乙问完所有想问的问题之后,乙必须指出一个至多包含 \(n\) 个正整数的集合 \(X\),若 \(x\) 属于 \(X\),则乙获胜;否则甲获胜. 证明:
(1)若 \(n\ge2^k\),则乙可保证获胜;
(2)对所有充分大的整数 \(k\),存在整数 \(n\ge1.99^k\),使得乙无法保证获胜.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
对于一个给定的问答记录,若在 \(x=y\) 时该记录满足对说谎的限制,则称 \(y\in\{1,\ldots,N\}\) 是可能值。实际的值 \(x\) 始终是可能值。
对每个可能值 \(y\),设 \(d(y)\) 为假定 \(x=y\) 时,记录末尾连续说谎的次数。初始时 \(d(y)=0\)。一次真实回答使 \(d(y)\) 重置为 \(0\);一次谎话使它增加 \(1\)。若它达到 \(k+1\),则值 \(y\) 变为不可能值,并被排除。
1. 当 \(n\ge 2^k\) 时的必胜策略。
我们证明,只要剩余的可能值多于 \(2^k\) 个,\(B\) 就能在有限次提问后使其中至少一个被排除。
定义 \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] 于是 \(w_{k+1}=0\)。若 \(C\) 为当前可能值的集合,令 \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] 量 \(\Phi\) 是一个非负整数。
对于由 \(S\) 指定的问题,设 \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) 和 \(\Phi_{\mathrm{no}}\) 为两种可能回答之后的势函数值。每个末尾连续说谎次数为 \(i\) 的候选值,在一种回答后贡献 \(w_0\),在另一种回答后贡献 \(w_{i+1}\)。由于 \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] 我们有 \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] 另外,记 \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] 便得到 \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
现在假设 \(m>2^k\)。
若至少有两个候选值的末尾连续说谎次数为 \(k\),则 \(B\) 提出一个问题,使其集合包含其中一个而不包含另一个。无论哪种回答,对其中一个候选值而言都是谎话,所以至少有一个候选值被排除。
否则,至多有一个候选值的末尾连续说谎次数为 \(k\)。令 \[ T=2^k-1. \] 所有权重 \(a(y)\) 都是不超过 \(T\) 的正整数,唯一可能的例外是有一个权重等于 \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] 我们断言,可以将这些权重分为两组,使两组的和相差不超过 \(T\)。
为证明这一点,将权重按从大到小的顺序,依次放入当前总和较小的组中。一旦两组的和相差不超过 \(T\),此后便始终如此:因为以后放入的每个权重都不超过 \(T\)。因此,只有最初的权重 \(2T+1\) 可能造成困难。在差变为不超过 \(T\) 之前,随后每个权重都放入另一组中。这些随后放入的权重之和至少为 \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] 所以差最终必定不超过 \(T\)。断言得证。
令 \(S\) 由这两组中一组的候选值组成。由 (1) 和 (2),无论哪种回答,都有 \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] 因为 \(m\ge 2^k+1=T+2\)。
因此,只要 \(m>2^k\),\(B\) 就能提出一个问题,或者保证有候选值被排除,或者使 \(\Phi\) 在两种回答下都减小。如果没有候选值被排除,非负整数 \(\Phi\) 就会在每一步都减小,这不可能无限持续下去。因此,\(B\) 能在有限次提问内迫使一个候选值被排除。
重复这一过程,\(B\) 最终剩下至多 \(2^k\) 个可能值。他将这些值组成的集合选为 \(X\)。由于实际的 \(x\) 在其中,且 \(2^k\le n\),他便获胜。
2. 下界。
我们先证明一个计数断言。假设 \(N\) 和实数 \(r\) 满足 \(1<r<2\),且 \[ N\le (2-r)r^k. \tag{3} \] 那么,对于 \(B\) 的任意策略,都存在一个无限回答序列,对每个 \(x\in\{1,\ldots,N\}\) 同时满足对说谎的限制。
固定 \(B\) 的一个策略。它确定了每个回答记录之后的下一个问题。如果该策略在某个记录处停止,就在该记录之后用任意问题将它延续下去;这样做只是为了让我们能够讨论任意长度的回答序列。
若一个回答记录对每个 \(x\in\{1,\ldots,N\}\) 都合法,就称它为好记录,并设 \(g_t\) 为长度为 \(t\) 的好记录的个数。特别地, \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
对于 \(t\ge k+1\),考虑将长度为 \(t-1\) 的好记录增加一个回答所得到的 \(2g_{t-1}\) 个延伸记录。如果这样的延伸记录不是好记录,那么它的最后 \(k+1\) 个回答对至少一个候选值 \(y\) 而言必定全是谎话。
对于任意固定的长度为 \(t-k-1\) 的记录和任意固定的 \(y\),恰好存在一个长度为 \(k+1\) 的后续回答序列,其中所有回答对 \(y\) 而言都是谎话:每一步,对 \(B\) 的策略所规定的问题,给出与真实回答相反的回答即可。即使问题依赖于先前的回答,这一点仍然成立。
一个新产生的坏延伸记录,其长度为 \(t-k-1\) 的前缀是好记录。因此,新产生的坏延伸记录至多有 \(Ng_{t-k-1}\) 个,从而 \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1}. \tag{5} \]
我们用归纳法证明 \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] 对于 \(t\le k\),这由 (4) 和 \(r<2\) 得到。对于 \(t\ge k+1\),前面 \(k\) 个 (6) 式给出 \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] 先使用 (5),再使用 (3),得 \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] 于是 (6) 成立,特别地,对每个 \(t\) 都有 \(g_t>0\)。
因此,存在一个无限回答序列,其所有有限前缀都是好记录。事实上,好记录组成一棵树,每个顶点至多有两个子顶点,而且在任意大的深度处都有顶点。从根开始,反复选择一个在任意大的深度处都有好后代的子顶点;由于只有两个子顶点,这样的子顶点总是存在。由此得到的无限路径证明了计数断言。
现在取 \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] 对所有充分大的 \(k\),条件 (3) 成立。为说明这一点,注意到 \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] 而 \(2-r=0.005>0\)。
对这个 \(N\) 值,固定 \(B\) 的任意一个拟定策略,并取上述断言所给出的无限回答序列。在整个序列中,每个候选值 \(1,\ldots,N\) 始终是可能值。
若 \(B\) 沿着此序列始终不停止,则他的策略不能保证在有限次提问内获胜。若他停止并宣布 \(X\),则 \[ |X|\le n=N-1, \] 所以存在某个 \(y\in\{1,\ldots,N\}\) 不在 \(X\) 中。玩家 \(A\) 可以在一开始就选择这个 \(y\) 作为秘密值,并在停止之前给出所构造的回答。这些回答在 \(x=y\) 时全部满足限制,而 \(B\) 失败。秘密值是在游戏开始前选定的:上述论证先分析 \(B\) 的固定策略,然后确定这个应对方案。
因此,对每个充分大的 \(k\),对于整数 \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\),\(B\) 都无法保证获胜。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2012 · Задача 3
Два игрока \(A\) и \(B\) играют в игру Угадай-ка. Правила этой игры зависят от двух положительных целых чисел \(k\) и \(n\), и эти числа известны обоим игрокам.
В начале игры \(A\) выбирает целые числа \(x\) и \(N\) такие, что \(1\le x\le N\). Игрок \(A\) держит число \(x\) в секрете, а число \(N\) честно сообщает игроку \(B\). После этого игрок \(B\) пытается получить информацию о числе \(x\), задавая игроку \(A\) вопросы следующего типа: за один вопрос \(B\) указывает по своему усмотрению множество \(S\), состоящее из целых положительных чисел (возможно, это множество уже было указано в одном из предыдущих вопросов) и спрашивает игрока \(A\) принадлежит ли число \(x\) множеству \(S\). Игрок \(B\) может задать столько вопросов, сколько он хочет. На каждый вопрос игрока \(B\) игрок \(A\) должен сразу ответить да или нет, при этом ему разрешается соврать столько раз, сколько он хочет; единственное ограничение состоит в том, что из любых \(k+1\) подряд идущих ответов хотя бы один ответ должен быть правдивым.
После того, как \(B\) задаст столько вопросов, сколько он сочтет нужным, он должен указать множество \(X\), содержащее не более \(n\) целых положительных чисел. Если \(x\) принадлежит множеству \(X\), то игрок \(B\) выиграл; иначе \(B\) проиграл. Докажите, что:
- Если \(n\ge 2^k\), то \(B\) может гарантировать себе выигрыш.
- Для всякого достаточно большого \(k\) найдется число \(n\ge 1,99^k\), при котором игрок \(B\) не сможет гарантировать себе выигрыш.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Для данной последовательности вопросов и ответов назовём \(y\in\{1,\ldots,N\}\) возможным, если при \(x=y\) эта последовательность удовлетворяла бы ограничению на ложные ответы. Истинное значение \(x\) всегда остаётся возможным.
Для каждого возможного \(y\) обозначим через \(d(y)\) число подряд идущих ложных ответов в конце последовательности в предположении, что \(x=y\). Изначально \(d(y)=0\). Правдивый ответ обнуляет \(d(y)\); ложный увеличивает его на \(1\). Если оно достигает \(k+1\), значение \(y\) становится невозможным и исключается.
1. Выигрышная стратегия при \(n\ge 2^k\).
Покажем, что всякий раз, когда возможными остаются более \(2^k\) значений, \(B\) может добиться исключения хотя бы одного из них за конечное число вопросов.
Определим \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] так что \(w_{k+1}=0\). Если \(C\) — текущее множество возможных значений, положим \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] Величина \(\Phi\) — неотрицательное целое число.
Для вопроса, заданного множеством \(S\), обозначим через \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) и \(\Phi_{\mathrm{no}}\) значения потенциала после двух возможных ответов. Каждый кандидат с текущим значением счётчика \(i\) вносит вклад \(w_0\) после одного ответа и \(w_{i+1}\) после другого. Поскольку \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] имеем \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] Кроме того, обозначив \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] получаем \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
Предположим теперь, что \(m>2^k\).
Если хотя бы у двух кандидатов текущее значение счётчика равно \(k\), игрок \(B\) задаёт вопрос, множество которого содержит одного из них и не содержит другого. Любой ответ будет ложным для одного из этих кандидатов, поэтому хотя бы один из них исключается.
В противном случае текущее значение счётчика равно \(k\) не более чем у одного кандидата. Положим \[ T=2^k-1. \] Все веса \(a(y)\) — положительные целые числа, не превосходящие \(T\), за исключением, возможно, одного веса, равного \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] Утверждаем, что эти веса можно разделить на две группы так, чтобы их суммы различались не более чем на \(T\).
Чтобы доказать это, будем размещать веса в невозрастающем порядке, каждый раз добавляя очередной вес в группу с меньшей текущей суммой. Как только разность сумм по модулю станет не больше \(T\), она и далее будет не больше \(T\): каждый последующий вес не превосходит \(T\). Таким образом, затруднение мог бы вызвать только начальный вес \(2T+1\). Пока разность по модулю больше \(T\), каждый последующий вес попадает в противоположную группу. Сумма этих последующих весов не меньше \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] поэтому в некоторый момент разность по модулю обязательно станет не больше \(T\). Утверждение доказано.
Пусть \(S\) состоит из кандидатов одной из этих двух групп. В силу (1) и (2) любой ответ даёт \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] поскольку \(m\ge 2^k+1=T+2\).
Следовательно, всякий раз, когда \(m>2^k\), игрок \(B\) может задать вопрос, который либо гарантирует исключение кандидата, либо уменьшает \(\Phi\) при обоих ответах. Если бы ни один кандидат не исключался, неотрицательное целое число \(\Phi\) уменьшалось бы на каждом шаге, что не может продолжаться бесконечно. Значит, \(B\) может добиться исключения кандидата за конечное число вопросов.
Повторяя эту процедуру, \(B\) в конце концов получает не более \(2^k\) возможных значений. Он выбирает эти значения в качестве \(X\). Поскольку истинное \(x\) находится среди них и \(2^k\le n\), он выигрывает.
2. Нижняя оценка.
Сначала докажем комбинаторное утверждение. Предположим, что \(N\) и действительное число \(r\), где \(1<r<2\), удовлетворяют условию \[ N\le (2-r)r^k. \tag{3} \] Тогда для любой стратегии \(B\) существует бесконечная последовательность ответов, удовлетворяющая ограничению на ложные ответы одновременно для каждого \(x\in\{1,\ldots,N\}\).
Зафиксируем стратегию \(B\). Она определяет следующий вопрос после каждой последовательности ответов. Если при некоторой последовательности стратегия предписывает остановиться, продолжим её после этой последовательности произвольными вопросами; это лишь позволяет нам рассматривать последовательности ответов любой длины.
Назовём последовательность ответов хорошей, если она допустима для каждого \(x\in\{1,\ldots,N\}\), и обозначим через \(g_t\) число хороших последовательностей длины \(t\). В частности, \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
При \(t\ge k+1\) рассмотрим \(2g_{t-1}\) продолжений хороших последовательностей длины \(t-1\) на один ответ. Если такое продолжение не является хорошим, все его последние \(k+1\) ответов должны быть ложными хотя бы для одного кандидата \(y\).
Для любой фиксированной последовательности длины \(t-k-1\) и любого фиксированного \(y\) существует ровно одно продолжение длины \(k+1\), целиком состоящее из ложных для \(y\) ответов: на каждом шаге нужно давать ответ, противоположный правдивому ответу на вопрос, предписанный стратегией \(B\). Это остаётся верным, хотя вопросы зависят от предыдущих ответов.
Начальный отрезок длины \(t-k-1\) продолжения, впервые ставшего плохим, является хорошим. Поэтому число продолжений, впервые ставших плохими, не превосходит \(Ng_{t-k-1}\), откуда \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1}. \tag{5} \]
Докажем по индукции, что \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] При \(t\le k\) это следует из (4) и \(r<2\). При \(t\ge k+1\) предыдущие \(k\) неравенств (6) дают \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] Используя (5), а затем (3), получаем \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] Таким образом, (6) выполнено, и, в частности, \(g_t>0\) для каждого \(t\).
Следовательно, существует бесконечная последовательность ответов, все конечные начальные отрезки которой хороши. Действительно, хорошие последовательности образуют дерево, у каждой вершины которого не более двух дочерних вершин и в котором есть вершины на сколь угодно большой глубине. Начиная с корня, будем каждый раз выбирать дочернюю вершину, имеющую хорошие вершины-потомки на сколь угодно большой глубине; такая дочерняя вершина всегда существует, поскольку дочерних вершин всего две. Полученный бесконечный путь доказывает комбинаторное утверждение.
Теперь выберем \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] Для всех достаточно больших \(k\) условие (3) выполнено. Чтобы убедиться в этом, заметим, что \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] тогда как \(2-r=0.005>0\).
Зафиксируем любую предложенную стратегию \(B\) при этом значении \(N\) и возьмём бесконечную последовательность ответов, существование которой установлено в утверждении. Каждый кандидат \(1,\ldots,N\) остаётся возможным на всём протяжении этой последовательности.
Если на этой последовательности \(B\) никогда не останавливается, его стратегия не гарантирует выигрыш за конечное число вопросов. Если он останавливается и объявляет \(X\), то \[ |X|\le n=N-1, \] поэтому некоторое \(y\in\{1,\ldots,N\}\) отсутствует в \(X\). Игрок \(A\) может изначально выбрать это \(y\) в качестве секретного значения и давать построенные ответы вплоть до момента остановки. Все эти ответы удовлетворяют ограничению при \(x=y\), и \(B\) проигрывает. Секретное значение выбирается до начала игры: в рассуждении сначала анализируется фиксированная стратегия \(B\), а затем указывается эта ответная игра.
Таким образом, для каждого достаточно большого \(k\) игрок \(B\) не может гарантировать выигрыш при целом \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2012 · المسألة 3
لعبة تخمين الكذب هي لعبة بين لاعبين \(A\) و \(B\). قواعد هذه اللعبة تعتمد على عددين صحيحين موجبين \(k\) و \(n\). هذان العددان معروفان لكلا اللاعبين.
في بداية اللعبة يختار \(A\) عددين صحيحين \(x\) و \(N\) بحيث \(1\le x\le N\). اللاعب \(A\) يحتفظ سرا بالعدد \(x\)، وبكل أمانة يكشف عن العدد \(N\) للاعب \(B\). يحاول اللاعب \(B\) التعرف على العدد \(x\) من خلال أسئلة يوجهها للاعب \(A\) على النحو التالي: في كل سؤال يختار \(B\) مجموعة عشوائية \(S\) من الأعداد الصحيحة الموجبة، ثم يسأل \(A\) إذا كان \(x\) ينتمي إلى \(S\). ويمكن للاعب \(B\) أن يكرر هذا النوع من الأسئلة عددا من المرات حسب رغبته، سواء بالاحتفاظ بالمجموعة \(S\) أو تغييرها. على اللاعب \(A\) أن يجيب لحظيا على أسئلة اللاعب \(B\) بنعم أو لا، مع إمكانية الكذب في الإجابة ما شاء من المرات. القيد الوحيد أنه في كل \(k+1\) من الإجابات المتتالية، تكون على الأقل واحدة منها صحيحة.
بعد أن ينتهي \(B\) من طرح العدد الذي يرغب من أسئلته، عليه أن يحدد مجموعة \(X\) تحوي ما لا يزيد عن \(n\) من الأعداد الصحيحة الموجبة. إذا انتمت \(x\) إلى \(X\) فيكون \(B\) فائزا، وبعكس ذلك فهو خاسر. برهن أن:
- إذا كان \(n\ge 2^k\)، فإنه يمكن للاعب \(B\) أن يضمن الفوز.
- لكل الأعداد \(k\) الكبيرة بما فيه الكفاية يوجد عدد صحيح \(n\ge 1.99^k\) بحيث لا يمكن للاعب \(B\) أن يضمن الفوز.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
بالنسبة إلى سجل معين من الأسئلة والأجوبة، نسمي \(y\in\{1,\ldots,N\}\) ممكنا إذا كان ذلك السجل يحقق القيد المفروض على الكذب عند \(x=y\). وتبقى القيمة الفعلية \(x\) ممكنة دائما.
لكل \(y\) ممكن، ليكن \(d(y)\) عدد الإجابات الكاذبة المتتالية في نهاية السجل، بافتراض أن \(x=y\). في البداية \(d(y)=0\). تعيد الإجابة الصادقة \(d(y)\) إلى \(0\)؛ أما الإجابة الكاذبة فتزيده بمقدار \(1\). وإذا بلغ \(k+1\)، أصبحت القيمة \(y\) غير ممكنة واستُبعدت.
1. استراتيجية الفوز عندما يكون \(n\ge 2^k\).
نبين أنه كلما بقي أكثر من \(2^k\) قيمة ممكنة، استطاع \(B\) أن يفرض استبعاد واحدة منها على الأقل بعد عدد منته من الأسئلة.
نعرّف \[ w_i=2^{k+1}-2^i\qquad(0\le i\le k+1), \] بحيث \(w_{k+1}=0\). إذا كانت \(C\) مجموعة القيم الممكنة حاليا، نضع \[ m=|C|,\qquad \Phi=\sum_{y\in C}w_{d(y)}. \] الكمية \(\Phi\) عدد صحيح غير سالب.
بالنسبة إلى سؤال تحدده \(S\)، لتكن \(\Phi_{\mathrm{yes}}\) و \(\Phi_{\mathrm{no}}\) قيمتي الكمون بعد الإجابتين الممكنتين. يسهم كل مرشح عمره \(i\) بالمقدار \(w_0\) بعد إحدى الإجابتين وبالمقدار \(w_{i+1}\) بعد الأخرى. وبما أن \[ w_0+w_{i+1}=2w_i-1, \] فإن لدينا \[ \Phi_{\mathrm{yes}}+\Phi_{\mathrm{no}}=2\Phi-m. \tag{1} \] كذلك، بكتابة \[ a(y)=w_0-w_{d(y)+1}=2^{d(y)+1}-1, \] نحصل على \[ \Phi_{\mathrm{yes}}-\Phi_{\mathrm{no}} =\sum_{y\in C\cap S}a(y)-\sum_{y\in C\setminus S}a(y). \tag{2} \]
نفترض الآن أن \(m>2^k\).
إذا كان هناك مرشحان على الأقل عمر كل منهما \(k\)، فإن \(B\) يطرح سؤالا تحتوي مجموعته على أحدهما ولا تحتوي على الآخر. وأيا كانت الإجابة، فإنها تكون كاذبة بالنسبة إلى أحد هذين المرشحين، ومن ثم يُستبعد واحد منهما على الأقل.
وإلا، فهناك مرشح واحد على الأكثر عمره \(k\). نضع \[ T=2^k-1. \] جميع الأوزان \(a(y)\) أعداد صحيحة موجبة لا تتجاوز \(T\)، باستثناء وزن واحد محتمل يساوي \[ 2^{k+1}-1=2T+1. \] ندعي أن هذه الأوزان يمكن تقسيمها إلى مجموعتين لا يتجاوز الفرق بين مجموعيهما \(T\).
لإثبات ذلك، نضع الأوزان، بترتيب غير متزايد، في المجموعة ذات المجموع الأصغر في كل مرة. وما إن يصبح الفرق بين المجموعين لا يتجاوز \(T\)، فإنه يبقى كذلك: إذ إن كل وزن لاحق لا يتجاوز \(T\). لذا فإن وزنا أوليا يساوي \(2T+1\) هو وحده الذي قد يسبب صعوبة. وحتى يصبح الفرق لا يتجاوز \(T\)، يذهب كل وزن لاحق إلى المجموعة المقابلة. ومجموع هذه الأوزان اللاحقة لا يقل عن \[ m-1\ge 2^k=T+1, \] لذلك لا بد أن يصبح الفرق في النهاية لا يتجاوز \(T\). وهذا يثبت الادعاء.
لتتكون \(S\) من المرشحين في إحدى هاتين المجموعتين. من (1) و (2)، تعطي أي من الإجابتين \[ \Phi_{\mathrm{next}} \le \frac{2\Phi-m+T}{2} =\Phi-\frac{m-T}{2} \le \Phi-1, \] لأن \(m\ge 2^k+1=T+2\).
وبالتالي، كلما كان \(m>2^k\)، أمكن لـ \(B\) أن يطرح سؤالا يضمن إما استبعاد مرشح وإما تناقص \(\Phi\) في حالتي الإجابة كلتيهما. ولو لم يُستبعد أي مرشح، لتناقص العدد الصحيح غير السالب \(\Phi\) في كل خطوة، وهذا لا يمكن أن يستمر إلى ما لا نهاية. ومن ثم يستطيع \(B\) أن يفرض استبعاد مرشح بعد عدد منته من الأسئلة.
بتكرار هذا الإجراء، يصل \(B\) في النهاية إلى ما لا يزيد على \(2^k\) قيمة ممكنة. فيختار هذه القيم لتكون \(X\). وبما أن القيمة الفعلية \(x\) من بينها وأن \(2^k\le n\)، فإنه يفوز.
2. الحد السفلي.
نثبت أولا ادعاء في العد. لنفترض أن \(N\) وعددا حقيقيا \(r\)، حيث \(1<r<2\)، يحققان \[ N\le (2-r)r^k. \tag{3} \] عندئذ، لأي استراتيجية لـ \(B\)، توجد متتالية لا نهائية من الإجابات تحقق القيد المفروض على الكذب في آن واحد لكل \(x\in\{1,\ldots,N\}\).
نثبت استراتيجية لـ \(B\). وهي تحدد السؤال التالي بعد كل سجل من الإجابات. وإذا توقفت الاستراتيجية عند سجل ما، نمددها بعد ذلك السجل بأسئلة اعتباطية؛ وهذا لا يفعل سوى إتاحة مناقشة متتاليات الإجابات من كل طول.
نسمي سجل الإجابات جيدا إذا كان مسموحا به لكل \(x\in\{1,\ldots,N\}\)، وليكن \(g_t\) عدد السجلات الجيدة ذات الطول \(t\). وبخاصة، \[ g_0=1,\qquad g_t=2^t\quad(1\le t\le k). \tag{4} \]
عندما يكون \(t\ge k+1\)، ننظر في الامتدادات الـ \(2g_{t-1}\) الناتجة عن إضافة إجابة واحدة إلى السجلات الجيدة ذات الطول \(t-1\). إذا لم يكن أحد هذه الامتدادات جيدا، فلا بد أن تكون إجاباته الأخيرة الـ \(k+1\) كلها كاذبة بالنسبة إلى مرشح واحد على الأقل \(y\).
لكل سجل ثابت طوله \(t-k-1\) ولكل \(y\) ثابت، توجد تتمة واحدة بالضبط طولها \(k+1\) تتكون بكاملها من إجابات كاذبة بالنسبة إلى \(y\): في كل خطوة، نعطي عكس الإجابة الصادقة عن السؤال الذي تحدده استراتيجية \(B\). ويظل ذلك صحيحا مع أن الأسئلة تعتمد على الإجابات السابقة.
المقطع الأول الذي طوله \(t-k-1\) من أي امتداد أصبح غير جيد للتو هو سجل جيد. ولذلك فإن عدد الامتدادات التي أصبحت غير جيدة للتو لا يتجاوز \(Ng_{t-k-1}\)، مما يعطي \[ g_t\ge 2g_{t-1}-Ng_{t-k-1}. \tag{5} \]
نثبت بالاستقراء أن \[ g_t\ge r g_{t-1}\qquad(t\ge1). \tag{6} \] عندما يكون \(t\le k\)، ينتج ذلك من (4) ومن \(r<2\). وعندما يكون \(t\ge k+1\)، تعطينا الحالات السابقة الـ \(k\) من (6) \[ g_{t-1}\ge r^k g_{t-k-1}. \] باستعمال (5) ثم (3)، \[ g_t \ge \left(2-\frac{N}{r^k}\right)g_{t-1} \ge r g_{t-1}. \] إذن تتحقق (6)، وبخاصة \(g_t>0\) لكل \(t\).
وبالتالي توجد متتالية لا نهائية من الإجابات جميع مقاطعها الأولى المنتهية جيدة. بالفعل، تشكل السجلات الجيدة شجرة لكل رأس فيها ابنان على الأكثر، وفيها رؤوس على أعماق كبيرة كيفما نشاء. انطلاقا من الجذر، نختار مرارا ابنا له أحفاد جيدون على أعماق كبيرة كيفما نشاء؛ ويوجد دائما مثل هذا الابن لأن عدد الأبناء لا يتجاوز اثنين. والمسار اللانهائي الناتج يثبت ادعاء العد.
نختار الآن \[ r=1.995,\qquad n=\left\lceil1.99^k\right\rceil,\qquad N=n+1. \] لكل \(k\) كبير بما فيه الكفاية، يتحقق الشرط (3). ولرؤية ذلك، نلاحظ أن \[ \frac{N}{r^k} \le \left(\frac{1.99}{1.995}\right)^k+\frac{2}{1.995^k} \longrightarrow 0, \] في حين أن \(2-r=0.005>0\).
نثبت أي استراتيجية مقترحة لـ \(B\)، مع هذه القيمة لـ \(N\)، ونأخذ متتالية الإجابات اللانهائية التي يوفرها الادعاء. يبقى كل مرشح من \(1,\ldots,N\) ممكنا طوال تلك المتتالية.
إذا لم يتوقف \(B\) أبدا على امتداد هذه المتتالية، فإن استراتيجيته لا تضمن الفوز بعد عدد منته من الأسئلة. وإذا توقف وأعلن \(X\)، فإن \[ |X|\le n=N-1, \] ولذلك يوجد \(y\in\{1,\ldots,N\}\) غير موجود في \(X\). يستطيع اللاعب \(A\) أن يختار هذا \(y\) قيمة سرية له منذ البداية، وأن يعطي الإجابات المنشأة حتى نقطة التوقف. تحقق جميع هذه الإجابات القيد عند \(x=y\)، ويخسر \(B\). تُختار القيمة السرية قبل اللعب: إذ تحلل الحجة أولا الاستراتيجية الثابتة لـ \(B\)، ثم تحدد هذا اللعب المضاد.
إذن لا يستطيع \(B\) ضمان الفوز للعدد الصحيح \(n=\lceil1.99^k\rceil\ge1.99^k\)، لكل \(k\) كبير بما فيه الكفاية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.