IMO 2014 · Problem 2
Let \(n \ge 2\) be an integer. Consider an \(n \times n\) chessboard consisting of \(n^2\) unit squares. A configuration of \(n\) rooks on this board is peaceful if every row and every column contains exactly one rook. Find the greatest positive integer \(k\) such that, for each peaceful configuration of \(n\) rooks, there is a \(k \times k\) square which does not contain a rook on any of its \(k^2\) unit squares.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
Solution
Put \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\). Thus \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
We first prove that an empty \(k\times k\) square always exists. Consider the rook in the first column, and choose \(k\) consecutive rows containing it. These rows contain exactly \(k\) rooks.
Within these rows, partition columns \(2,3,\ldots,k^2+1\) into \(k\) consecutive groups of \(k\) columns. This gives \(k\) disjoint \(k\times k\) squares. The rook in the first column belongs to none of them, so together these squares contain at most \(k-1\) rooks. Hence at least one is empty.
We now construct a peaceful configuration with no empty \((k+1)\times(k+1)\) square. Write \(m=k+1\). We first give such a construction on an \(m^2\times m^2\) board, then restrict it to the required board.
Number the rows and columns from \(1\) to \(m^2\). For every pair of integers \(u,v\) with \(0\le u,v<m\), place a rook at \[ (\text{row},\text{column})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] Every row and every column occurs exactly once, so this configuration is peaceful.
We claim that every \(m\times m\) square contains a rook. To prove this, take any \(m\) consecutive rows, and write their first row as \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] If \(b>0\), these rows cross into the next block of \(m\) rows, so \(a\le m-2\). The columns occupied by the rooks in these rows, listed in increasing order, are \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] Indeed, the first group comes from rows in block \(a+1\), and the second from rows in block \(a\).
These column numbers satisfy \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] For the first inequality, use \(a\le m-2\) when \(b>0\); the other inequalities follow directly from the formula.
Consequently, there are at most \(m-1\) unoccupied columns before the first occupied column, between any two consecutive occupied columns, or after the last occupied column. Thus every set of \(m\) consecutive columns contains a rook from our chosen rows. This proves the claim.
Finally, retain only the first \(n\) rows and first \(n\) columns of this board, which is possible because \(n\le m^2\). Every \(m\times m\) square in the resulting \(n\times n\) board still contains one of the retained rooks.
Suppose \(s\) rooks remain. They occupy distinct rows and distinct columns, leaving exactly \(n-s\) empty rows and \(n-s\) empty columns. Pair these empty rows and columns arbitrarily, and place a rook at each paired intersection. The resulting configuration is peaceful, and adding rooks preserves the property that every \(m\times m\) square contains a rook.
Therefore an empty square of side \(m=k+1\) cannot always be guaranteed. Neither can any larger empty square, since it would contain an empty \(m\times m\) square. Together with the lower bound, this proves the answer.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2014 · Aufgabe 2
Es sei \(n\geq 2\) eine ganze Zahl. Gegeben sei ein \(n\times n\) Schachbrett bestehend aus \(n^2\) Einheitsquadraten. Eine Konfiguration von \(n\) Türmen auf diesem Brett heiße friedlich, falls jede Zeile und jede Spalte genau einen Turm enthält. Man bestimme die größte positive ganze Zahl \(k\), sodass man für jede friedliche Konfiguration von \(n\) Türmen ein \(k\times k\) Quadrat ohne einen Turm auf einem seiner \(k^2\) Einheitsquadrate finden kann.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
Lösung
Wir setzen \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\). Dann gilt \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
Zunächst beweisen wir, dass stets ein leeres \(k\times k\) Quadrat existiert. Wir betrachten den Turm in der ersten Spalte und wählen \(k\) aufeinanderfolgende Zeilen, die ihn enthalten. Diese Zeilen enthalten genau \(k\) Türme.
Innerhalb dieser Zeilen teilen wir die Spalten \(2,3,\ldots,k^2+1\) in \(k\) aufeinanderfolgende Gruppen von je \(k\) Spalten ein. Dadurch erhalten wir \(k\) disjunkte \(k\times k\) Quadrate. Der Turm in der ersten Spalte gehört zu keinem von ihnen, sodass diese Quadrate zusammen höchstens \(k-1\) Türme enthalten. Also ist mindestens eines leer.
Nun konstruieren wir eine friedliche Konfiguration ohne leeres \((k+1)\times(k+1)\) Quadrat. Wir schreiben \(m=k+1\). Zunächst geben wir eine solche Konstruktion auf einem \(m^2\times m^2\) Brett an und beschränken sie dann auf das geforderte Brett.
Wir nummerieren die Zeilen und Spalten von \(1\) bis \(m^2\). Für jedes Paar ganzer Zahlen \(u,v\) mit \(0\le u,v<m\) setzen wir einen Turm auf \[ (\text{Zeile},\text{Spalte})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] Jede Zeile und jede Spalte kommt genau einmal vor, also ist diese Konfiguration friedlich.
Wir behaupten, dass jedes \(m\times m\) Quadrat einen Turm enthält. Zum Beweis wählen wir beliebige \(m\) aufeinanderfolgende Zeilen und schreiben die Nummer ihrer ersten Zeile als \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] Ist \(b>0\), so reichen diese Zeilen in den nächsten Block von \(m\) Zeilen hinein, also gilt \(a\le m-2\). Die von den Türmen in diesen Zeilen besetzten Spalten sind in aufsteigender Reihenfolge \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] Dabei stammt die erste Gruppe aus Zeilen im Block \(a+1\) und die zweite aus Zeilen im Block \(a\).
Diese Spaltennummern erfüllen \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] Für die erste Ungleichung verwenden wir \(a\le m-2\), wenn \(b>0\); die übrigen Ungleichungen folgen unmittelbar aus der Formel.
Folglich liegen vor der ersten besetzten Spalte, zwischen je zwei aufeinanderfolgenden besetzten Spalten und nach der letzten besetzten Spalte jeweils höchstens \(m-1\) unbesetzte Spalten. Somit enthält jede Menge von \(m\) aufeinanderfolgenden Spalten einen Turm aus den gewählten Zeilen. Dies beweist die Behauptung.
Schließlich behalten wir nur die ersten \(n\) Zeilen und die ersten \(n\) Spalten dieses Bretts bei, was wegen \(n\le m^2\) möglich ist. Jedes \(m\times m\) Quadrat im entstandenen \(n\times n\) Brett enthält weiterhin einen der beibehaltenen Türme.
Es mögen \(s\) Türme übrig bleiben. Sie stehen in verschiedenen Zeilen und verschiedenen Spalten, sodass genau \(n-s\) leere Zeilen und \(n-s\) leere Spalten verbleiben. Wir ordnen diese leeren Zeilen und Spalten beliebig paarweise einander zu und setzen auf jeden so bestimmten Schnittpunkt einen Turm. Die entstandene Konfiguration ist friedlich, und durch das Hinzufügen von Türmen bleibt die Eigenschaft erhalten, dass jedes \(m\times m\) Quadrat einen Turm enthält.
Ein leeres Quadrat der Seitenlänge \(m=k+1\) kann daher nicht immer garantiert werden. Dasselbe gilt für jedes größere leere Quadrat, da es ein leeres \(m\times m\) Quadrat enthalten würde. Zusammen mit der unteren Schranke beweist dies die Antwort.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2014 · Soru 2
\(n\geq 2\) bir tam sayı olmak üzere, \(n^2\) birim kareden oluşan \(n\times n\) satranç tahtası verilmiştir. \(n\) kalenin; her satırda ve her sütunda tam olarak bir kale olmak üzere, bu satranç tahtasına yerleşimine barışçıl konfigürasyon diyelim. \(k\) nın en büyük hangi pozitif tam sayı değeri için; \(n\) kalenin her barışçıl konfigürasyonunda, üzerinde kale olmayan bir \(k\times k\) karesi bulunur (yani bu \(k\times k\) karesinin toplam sayısı \(k^2\) olan birim karelerinin hiçbirinde kale yoktur)?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
Çözüm
\(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\) alalım. Böylece \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
Önce boş bir \(k\times k\) karesinin her zaman bulunduğunu kanıtlayalım. İlk sütundaki kaleyi ele alalım ve onu içeren ardışık \(k\) satır seçelim. Bu satırlarda tam olarak \(k\) kale bulunur.
Bu satırlar içinde \(2,3,\ldots,k^2+1\) sütunlarını, her biri ardışık \(k\) sütundan oluşan \(k\) gruba ayıralım. Böylece birbirinden ayrık \(k\) tane \(k\times k\) kare elde edilir. İlk sütundaki kale bunların hiçbirine ait değildir; dolayısıyla bu karelerde toplam en fazla \(k-1\) kale bulunur. Bu nedenle en az biri boştur.
Şimdi boş bir \((k+1)\times(k+1)\) karesi içermeyen barışçıl bir konfigürasyon oluşturacağız. \(m=k+1\) yazalım. Önce \(m^2\times m^2\) boyutunda bir tahta üzerinde böyle bir konfigürasyon oluşturup ardından bunu istenen tahtaya kısıtlayacağız.
Satırları ve sütunları \(1\)'den \(m^2\)'ye kadar numaralandıralım. \(0\le u,v<m\) koşulunu sağlayan her \(u,v\) tam sayı çifti için \[ (\text{satır},\text{sütun})=(mu+v+1,\;mv+u+1) \] konumuna bir kale yerleştirelim. Her satır ve her sütun tam olarak bir kez kullanılır; dolayısıyla bu konfigürasyon barışçıldır.
Her \(m\times m\) karesinin bir kale içerdiğini iddia ediyoruz. Bunu kanıtlamak için herhangi ardışık \(m\) satır alalım ve ilk satırlarını \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m \] biçiminde yazalım. \(b>0\) ise bu satırlar bir sonraki \(m\) satırlık bloğa taşar; bu nedenle \(a\le m-2\) olur. Bu satırlardaki kalelerin bulunduğu sütunlar, artan sırayla, \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m \end{cases} \] şeklindedir. Gerçekten de ilk grup \(a+1\) bloğundaki satırlardan, ikinci grup ise \(a\) bloğundaki satırlardan gelir.
Bu sütun numaraları \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1) \] eşitsizliklerini sağlar. İlk eşitsizlik için \(b>0\) olduğunda \(a\le m-2\) olduğunu kullanırız; diğer eşitsizlikler doğrudan formülden çıkar.
Dolayısıyla kale bulunan ilk sütundan önce, kale bulunan ardışık herhangi iki sütun arasında veya kale bulunan son sütundan sonra en fazla \(m-1\) boş sütun vardır. Böylece ardışık \(m\) sütundan oluşan her küme, seçtiğimiz satırlardaki kalelerden birini içerir. Bu, iddiayı kanıtlar.
Son olarak, bu tahtanın yalnızca ilk \(n\) satırını ve ilk \(n\) sütununu tutalım; \(n\le m^2\) olduğundan bu mümkündür. Elde edilen \(n\times n\) tahtadaki her \(m\times m\) karesi, tutulan kalelerden birini hâlâ içerir.
Geriye \(s\) kale kaldığını varsayalım. Bunlar farklı satır ve sütunlarda bulunur; böylece tam olarak \(n-s\) boş satır ve \(n-s\) boş sütun kalır. Bu boş satırlarla sütunları herhangi bir biçimde eşleştirelim ve eşleştirilen her kesişime bir kale yerleştirelim. Ortaya çıkan konfigürasyon barışçıldır ve kale eklemek, her \(m\times m\) karesinin bir kale içermesi özelliğini korur.
Bu nedenle kenarı \(m=k+1\) olan boş bir karenin varlığı her zaman garanti edilemez. Daha büyük bir boş karenin varlığı da garanti edilemez; çünkü böyle bir kare boş bir \(m\times m\) karesi içerirdi. Bu sonuç, alt sınırla birlikte cevabı kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2014 · Problema 2
Sea \(n\geq 2\) un entero. Consideremos un tablero de tamaño \(n\times n\) formado por \(n^2\) cuadrados unitarios. Una configuración de \(n\) fichas en este tablero se dice que es pacífica si en cada fila y en cada columna hay exactamente una ficha. Hallar el mayor entero positivo \(k\) tal que, para cada configuración pacífica de \(n\) fichas, existe un cuadrado de tamaño \(k\times k\) sin fichas en sus \(k^2\) cuadrados unitarios.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
Solución
Sea \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\). Así, \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
Primero demostraremos que siempre existe un cuadrado vacío de tamaño \(k\times k\). Consideremos la ficha de la primera columna y elijamos \(k\) filas consecutivas que la contengan. Estas filas contienen exactamente \(k\) fichas.
Dentro de estas filas, dividamos las columnas \(2,3,\ldots,k^2+1\) en \(k\) grupos consecutivos de \(k\) columnas. Esto da \(k\) cuadrados disjuntos de tamaño \(k\times k\). La ficha de la primera columna no pertenece a ninguno de ellos, de modo que estos cuadrados contienen, en conjunto, a lo sumo \(k-1\) fichas. Por tanto, al menos uno está vacío.
Construiremos ahora una configuración pacífica sin ningún cuadrado vacío de tamaño \((k+1)\times(k+1)\). Escribamos \(m=k+1\). Primero daremos una construcción de este tipo en un tablero de tamaño \(m^2\times m^2\) y después la restringiremos al tablero requerido.
Numeremos las filas y las columnas de \(1\) a \(m^2\). Para cada par de enteros \(u,v\) con \(0\le u,v<m\), coloquemos una ficha en \[ (\text{fila},\text{columna})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] Cada fila y cada columna aparece exactamente una vez, por lo que esta configuración es pacífica.
Afirmamos que todo cuadrado de tamaño \(m\times m\) contiene una ficha. Para demostrarlo, tomemos cualesquiera \(m\) filas consecutivas y escribamos el número de su primera fila como \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] Si \(b>0\), estas filas se extienden hasta el siguiente bloque de \(m\) filas, de modo que \(a\le m-2\). Las columnas ocupadas por las fichas de estas filas, ordenadas de menor a mayor, son \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] En efecto, el primer grupo procede de las filas del bloque \(a+1\), y el segundo, de las filas del bloque \(a\).
Estos números de columna satisfacen \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] Para la primera desigualdad, usamos \(a\le m-2\) cuando \(b>0\); las demás desigualdades se deducen directamente de la fórmula.
Por consiguiente, hay a lo sumo \(m-1\) columnas desocupadas antes de la primera columna ocupada, entre cualesquiera dos columnas ocupadas consecutivas o después de la última columna ocupada. Por tanto, todo conjunto de \(m\) columnas consecutivas contiene una ficha de las filas que hemos elegido. Esto demuestra la afirmación.
Por último, conservemos únicamente las primeras \(n\) filas y las primeras \(n\) columnas de este tablero, lo cual es posible porque \(n\le m^2\). Todo cuadrado de tamaño \(m\times m\) del tablero resultante de tamaño \(n\times n\) sigue conteniendo una de las fichas conservadas.
Supongamos que quedan \(s\) fichas. Estas ocupan filas distintas y columnas distintas, dejando exactamente \(n-s\) filas vacías y \(n-s\) columnas vacías. Emparejemos arbitrariamente estas filas y columnas vacías y coloquemos una ficha en la intersección de cada pareja. La configuración resultante es pacífica, y añadir fichas conserva la propiedad de que todo cuadrado de tamaño \(m\times m\) contiene una ficha.
Por tanto, no siempre se puede garantizar un cuadrado vacío de lado \(m=k+1\). Tampoco se puede garantizar ningún cuadrado vacío mayor, pues este contendría un cuadrado vacío de tamaño \(m\times m\). Junto con la cota inferior, esto demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2014 · 问题 2
设 \(n\geq 2\) 是一个整数. 考虑由 \(n^2\) 个单位正方形组成的一个 \(n\times n\) 棋盘. 一种放置 \(n\) 个棋子 “车” 的方案被称为是 和平的, 如果每一行和每一列上都恰好有一个 “车”. 求最大的正整数 \(k\), 使得对于任何一种和平放置 \(n\) 个 “车” 的方案, 都存在一个 \(k\times k\) 的正方形, 它的 \(k^2\) 个单位正方形里都没有 “车”.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
解答
令 \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\)。于是 \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
我们先证明总存在一个空的 \(k\times k\) 正方形。考虑第一列中的车,并选取包含它的连续 \(k\) 行。这些行中恰好有 \(k\) 个车。
在这些行内,将第 \(2,3,\ldots,k^2+1\) 列划分为 \(k\) 组,每组由连续的 \(k\) 列组成。这样便得到 \(k\) 个互不相交的 \(k\times k\) 正方形。第一列中的车不属于其中任何一个,因此这些正方形中总共至多有 \(k-1\) 个车。所以至少有一个正方形是空的。
现在我们构造一种和平放置方案,使其中没有空的 \((k+1)\times(k+1)\) 正方形。记 \(m=k+1\)。我们先在一个 \(m^2\times m^2\) 棋盘上给出这样的构造,再将其限制到所需的棋盘上。
将各行和各列从 \(1\) 到 \(m^2\) 编号。对每一对满足 \(0\le u,v<m\) 的整数 \(u,v\),在下述位置放置一个车: \[ (\text{行},\text{列})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] 每一行和每一列都恰好出现一次,因此这种放置方案是和平的。
我们断言,每个 \(m\times m\) 正方形中都有一个车。为证明这一点,任取连续的 \(m\) 行,并将其第一行的行号写成 \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] 若 \(b>0\),这些行会跨入下一个由 \(m\) 行组成的区块,因此 \(a\le m-2\)。这些行中的车所占据的列号按递增顺序排列为 \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] 事实上,第一组来自区块 \(a+1\) 中的行,第二组来自区块 \(a\) 中的行。
这些列号满足 \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] 对于第一个不等式,在 \(b>0\) 时利用 \(a\le m-2\);其余不等式可由公式直接得到。
因此,在第一个被占据的列之前、任意两个相邻的被占据的列之间,以及最后一个被占据的列之后,都至多有 \(m-1\) 个未被占据的列。所以,任意连续 \(m\) 列中都含有我们所选行中的一个车。这就证明了上述断言。
最后,只保留这个棋盘的前 \(n\) 行和前 \(n\) 列,由于 \(n\le m^2\),这是可行的。所得 \(n\times n\) 棋盘中的每个 \(m\times m\) 正方形仍然含有一个保留下来的车。
设保留下来 \(s\) 个车。它们分别占据不同的行和不同的列,因而恰好留下 \(n-s\) 个空行和 \(n-s\) 个空列。将这些空行与空列任意配对,并在每一对的交叉格中放置一个车。所得方案是和平的,而且添加车不会破坏每个 \(m\times m\) 正方形中都有车这一性质。
因此,不能保证总存在一个边长为 \(m=k+1\) 的空正方形。也不能保证存在任何更大的空正方形,因为它会包含一个空的 \(m\times m\) 正方形。结合下界,即证得所给答案。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2014 · Задача 2
Пусть \(n\geq2\) — целое число. Дана шахматная доска \(n\times n\), состоящая из \(n^2\) единичных клеток. Расстановка \(n\) ладей в клетках этой доски называется мирной, если в каждом горизонтальном и в каждом вертикальном ряду находится ровно по одной ладье. Найдите наибольшее целое положительное \(k\) такое, что для каждой мирной расстановки \(n\) ладей найдётся клетчатый квадрат \(k\times k\), ни в одной из \(k^2\) клеток которого нет ладьи.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
Решение
Положим \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\). Тогда \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
Сначала докажем, что пустой квадрат \(k\times k\) всегда существует. Рассмотрим ладью в первом столбце и выберем \(k\) последовательных строк, содержащих её. В этих строках находится ровно \(k\) ладей.
В пределах этих строк разобьём столбцы \(2,3,\ldots,k^2+1\) на \(k\) последовательных групп по \(k\) столбцов. Получатся \(k\) непересекающихся квадратов \(k\times k\). Ладья в первом столбце не принадлежит ни одному из них, поэтому все эти квадраты вместе содержат не более \(k-1\) ладей. Следовательно, хотя бы один из них пуст.
Теперь построим мирную расстановку, в которой нет пустого квадрата \((k+1)\times(k+1)\). Обозначим \(m=k+1\). Сначала приведём такую конструкцию на доске \(m^2\times m^2\), а затем ограничим её требуемой доской.
Пронумеруем строки и столбцы от \(1\) до \(m^2\). Для каждой пары целых чисел \(u,v\), где \(0\le u,v<m\), поставим ладью в клетку \[ (\text{строка},\text{столбец})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] Каждая строка и каждый столбец встречаются ровно один раз, поэтому эта расстановка мирная.
Утверждаем, что каждый квадрат \(m\times m\) содержит ладью. Для доказательства возьмём любые \(m\) последовательных строк и запишем номер первой из них в виде \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] Если \(b>0\), эти строки заходят в следующий блок из \(m\) строк, поэтому \(a\le m-2\). Столбцы, занятые ладьями в этих строках, в порядке возрастания имеют номера \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] Действительно, первая группа соответствует строкам блока \(a+1\), а вторая — строкам блока \(a\).
Эти номера столбцов удовлетворяют неравенствам \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] Для первого неравенства используем \(a\le m-2\) при \(b>0\); остальные неравенства следуют непосредственно из формулы.
Следовательно, перед первым занятым столбцом, между любыми двумя соседними занятыми столбцами и после последнего занятого столбца находится не более \(m-1\) незанятых столбцов. Поэтому любой набор из \(m\) последовательных столбцов содержит ладью из выбранных строк. Утверждение доказано.
Наконец, оставим только первые \(n\) строк и первые \(n\) столбцов этой доски, что возможно, поскольку \(n\le m^2\). Каждый квадрат \(m\times m\) на полученной доске \(n\times n\) по-прежнему содержит одну из оставшихся ладей.
Пусть осталось \(s\) ладей. Они занимают различные строки и различные столбцы, так что остаются ровно \(n-s\) пустых строк и \(n-s\) пустых столбцов. Произвольным образом сопоставим этим пустым строкам пустые столбцы и поставим ладью на каждом соответствующем пересечении. Полученная расстановка мирная, а добавление ладей сохраняет свойство, что каждый квадрат \(m\times m\) содержит ладью.
Таким образом, существование пустого квадрата со стороной \(m=k+1\) нельзя гарантировать во всех случаях. Нельзя гарантировать и существование большего пустого квадрата, поскольку он содержал бы пустой квадрат \(m\times m\). Вместе с нижней оценкой это доказывает указанный ответ.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2014 · المسألة 2
ليكن \(n\geq 2\) عددا صحيحا. لدينا طاولة شطرنج من القياس \(n\times n\) مشتملة على \(n^2\) من الخانات. يقال عن تشكيلة مكوّنة من \(n\) حجرا على خانات هذه الطاولة إنّها مسالمة إذا كان كلّ صفّ وكلّ عمود يحوي حجرا واحدا فقط. جد أكبر عدد صحيح \(k\) بحيث، لكلّ تشكيلة مسالمة من \(n\) حجرا، يوجد مربّع من القياس \(k\times k\) لا يحوي على حجر في أيّ من خاناته الّتي عددها \(k^2\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k=\left\lfloor\sqrt{n-1}\right\rfloor =\left\lceil\sqrt n\right\rceil-1.} \]
الحل
لنضع \(k=\lfloor\sqrt{n-1}\rfloor\). إذن \[ k^2+1\le n\le (k+1)^2. \]
نثبت أولا أنّه يوجد دائما مربّع خال من القياس \(k\times k\). لننظر إلى الرخّ الموجود في العمود الأول، ولنختر \(k\) صفوف متتالية تحتوي عليه. تحتوي هذه الصفوف على \(k\) رخاخ بالضبط.
ضمن هذه الصفوف، نقسّم الأعمدة \(2,3,\ldots,k^2+1\) إلى \(k\) مجموعات متتالية، في كل منها \(k\) أعمدة. نحصل بذلك على \(k\) مربعات متباينة من القياس \(k\times k\). لا ينتمي الرخّ الموجود في العمود الأول إلى أي منها، ولذلك تحتوي هذه المربعات مجتمعة على \(k-1\) رخّا على الأكثر. ومن ثمّ يكون أحدها على الأقل خاليا.
ننشئ الآن تشكيلة مسالمة لا يوجد فيها مربّع خال من القياس \((k+1)\times(k+1)\). لنكتب \(m=k+1\). نقدّم أولا مثل هذا الإنشاء على لوحة من القياس \(m^2\times m^2\)، ثم نقصره على اللوحة المطلوبة.
نرقّم الصفوف والأعمدة من \(1\) إلى \(m^2\). لكل زوج من العددين الصحيحين \(u,v\) بحيث \(0\le u,v<m\)، نضع رخّا في \[ (\text{الصف},\text{العمود})=(mu+v+1,\;mv+u+1). \] يظهر كل صف وكل عمود مرة واحدة بالضبط، ولذلك تكون هذه التشكيلة مسالمة.
ندّعي أنّ كل مربّع من القياس \(m\times m\) يحتوي على رخّ. لإثبات ذلك، نأخذ أي \(m\) صفوف متتالية، ونكتب رقم صفّها الأول على الصورة \[ ma+b+1,\qquad 0\le a,b<m. \] إذا كان \(b>0\)، فإنّ هذه الصفوف تمتد إلى الكتلة التالية المكوّنة من \(m\) صفوف، ولذلك \(a\le m-2\). أرقام الأعمدة التي تشغلها الرخاخ في هذه الصفوف، مرتّبة تصاعديا، هي \[ c_j= \begin{cases} mj+a+2,&0\le j<b,\\ mj+a+1,&b\le j<m. \end{cases} \] بالفعل، تأتي المجموعة الأولى من الصفوف الواقعة في الكتلة \(a+1\)، والثانية من الصفوف الواقعة في الكتلة \(a\).
تحقق أرقام هذه الأعمدة \[ c_0\le m,\qquad c_{m-1}\ge m^2-m+1,\qquad c_{j+1}-c_j\le m\quad(0\le j<m-1). \] لإثبات المتباينة الأولى، نستخدم \(a\le m-2\) عندما \(b>0\)؛ أما المتباينات الأخرى فتنتج مباشرة من الصيغة.
وعليه، يوجد على الأكثر \(m-1\) عمودا غير مشغول قبل أول عمود مشغول، أو بين أي عمودين مشغولين متتاليين، أو بعد آخر عمود مشغول. ومن ثمّ تحتوي كل مجموعة من \(m\) أعمدة متتالية على رخّ من صفوفنا المختارة. وهذا يثبت الادّعاء.
أخيرا، نحتفظ فقط بالصفوف \(n\) الأولى والأعمدة \(n\) الأولى من هذه اللوحة، وهو أمر ممكن لأنّ \(n\le m^2\). يظل كل مربّع من القياس \(m\times m\) في اللوحة الناتجة ذات القياس \(n\times n\) محتويا على أحد الرخاخ التي احتفظنا بها.
لنفترض أنّ \(s\) رخّا قد بقيت. تشغل هذه الرخاخ صفوفا مختلفة وأعمدة مختلفة، تاركة \(n-s\) صفّا خاليا و\(n-s\) عمودا خاليا بالضبط. نزاوج هذه الصفوف والأعمدة الخالية كيفما اتفق، ونضع رخّا عند تقاطع كل زوج. تكون التشكيلة الناتجة مسالمة، وتحافظ إضافة الرخاخ على خاصية احتواء كل مربّع من القياس \(m\times m\) على رخّ.
لذلك لا يمكن ضمان وجود مربّع خال طول ضلعه \(m=k+1\) دائما. وكذلك لا يمكن ضمان وجود أي مربّع خال أكبر منه، إذ سيحتوي على مربّع خال من القياس \(m\times m\). وبضمّ ذلك إلى الحد الأدنى، تثبت الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.