IMO 2016 · Problem 2
Find all positive integers \(n\) for which each cell of an \(n\times n\) table can be filled with one of the letters \(I\), \(M\) and \(O\) in such a way that:
- in each row and each column, one third of the entries are \(I\), one third are \(M\) and one third are \(O\); and
- in any diagonal, if the number of entries on the diagonal is a multiple of three, then one third of the entries are \(I\), one third are \(M\) and one third are \(O\).
Note: The rows and columns of an \(n\times n\) table are each labelled \(1\) to \(n\) in a natural order. Thus each cell corresponds to a pair of positive integers \((i,j)\) with \(1\le i,j\le n\). For \(n>1\), the table has \(4n-2\) diagonals of two types. A diagonal of the first type consists of all cells \((i,j)\) for which \(i+j\) is constant, and a diagonal of the second type consists of all cells \((i,j)\) for which \(i-j\) is constant.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{n=9k\quad\text{for every positive integer }k.} \]
Solution
The row condition implies \(3\mid n\). Write \(n=3m\).
A diagonal \(i-j=d\) has length \(n-|d|\), so its length is divisible by three exactly when \(d\equiv0\pmod3\). Similarly, a diagonal \(i+j=s\) has length \[ n-|s-(n+1)|, \] which is divisible by three exactly when \(s\equiv1\pmod3\).
Necessity. Suppose a valid filling exists. For \(r,s\in\{1,2,3\}\), let \(a_{rs}\) be the number of entries \(I\) in cells satisfying \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] Consider the \(3\times3\) matrix \(A=(a_{rs})\).
There are \(m\) actual rows in each residue class, and each contains \(m\) entries \(I\). Thus every row sum of \(A\) is \(m^2\). Likewise, every column sum is \(m^2\).
The cells with \(i-j\equiv0\pmod3\) form a disjoint union of diagonals whose lengths are divisible by three. They comprise three residue classes of cells, each containing \(m^2\) cells. Exactly one third of their entries are therefore \(I\), giving \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] Applying the same argument to the cells with \(i+j\equiv1\pmod3\) gives \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
Now add the middle row, the middle column, and the two diagonals of \(A\). Their sums total \(4m^2\). Every entry of \(A\) is counted once, except \(a_{22}\), which is counted four times. Since all entries of \(A\) sum to \(3m^2\), we obtain \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] Hence \(m^2=3a_{22}\), so \(3\mid m\). Consequently \(9\mid n\).
Sufficiency. Let \(n=9k\), where \(k\ge1\). Repeat the following \(3\times9\) pattern \(k\) times horizontally and \(3k\) times vertically: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] Every row contains \(3k=n/3\) copies of each letter. Every column also contains \(3k\) copies of each letter, since each successive group of three rows contains one of each.
Partition the table into \(3\times3\) blocks. Within every block, each of its two diagonals contains one \(I\), one \(M\), and one \(O\). We show that every diagonal whose length is divisible by three is a union of such complete block diagonals.
Write the coordinates within a block as \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
For a qualifying diagonal \(i-j=d\), we have \(d\equiv0\pmod3\), hence \(r-s\equiv0\pmod3\). Since \(-2\le r-s\le2\), this forces \(r=s\). Thus, whenever the diagonal meets a block, its intersection is the block’s complete main diagonal.
For a qualifying diagonal \(i+j=t\), we have \(t\equiv1\pmod3\), hence \(r+s\equiv1\pmod3\). Since \(2\le r+s\le6\), this forces \(r+s=4\). Thus its intersection with any block it meets is the block’s complete other diagonal.
Every qualifying diagonal is therefore partitioned into triples containing one of each letter. This verifies the remaining condition and completes the construction.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 2
Bestimme alle positiven ganzen Zahlen \(n\), für die jedes Feld einer \(n \times n\) Tabelle so mit einem der Buchstaben \(I\), \(M\) und \(O\) gefüllt werden kann, dass:
- in jeder Zeile und in jeder Spalte ein Drittel der Einträge \(I\), ein Drittel \(M\) und ein Drittel \(O\) sind, und
- in jeder Diagonale, in der die Anzahl der Einträge ein Vielfaches von drei ist, ein Drittel der Einträge \(I\), ein Drittel \(M\) und ein Drittel \(O\) sind.
Bemerkung: Die Zeilen und Spalten der \(n \times n\) Tabelle sind in üblicher Reihenfolge von \(1\) bis \(n\) nummeriert. Damit entspricht jedes Feld einem Paar positiver ganzer Zahlen \((i,j)\) mit \(1 \le i,j \le n\). Für \(n > 1\) hat die Tabelle \(4n - 2\) Diagonalen, die sich in zwei Arten aufteilen. Eine Diagonale der ersten Art besteht aus allen Feldern \((i,j)\), für die \(i+j\) eine Konstante ist. Eine Diagonale der zweiten Art besteht aus allen Feldern \((i,j)\), für die \(i-j\) eine Konstante ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{n=9k\quad\text{für jede positive ganze Zahl }k.} \]
Lösung
Aus der Zeilenbedingung folgt \(3\mid n\). Wir schreiben \(n=3m\).
Eine Diagonale \(i-j=d\) hat die Länge \(n-|d|\); ihre Länge ist also genau dann durch drei teilbar, wenn \(d\equiv0\pmod3\) gilt. Ebenso hat eine Diagonale \(i+j=s\) die Länge \[ n-|s-(n+1)|, \] die genau dann durch drei teilbar ist, wenn \(s\equiv1\pmod3\) gilt.
Notwendigkeit. Angenommen, eine zulässige Füllung existiert. Für \(r,s\in\{1,2,3\}\) sei \(a_{rs}\) die Anzahl der Einträge \(I\) in Feldern mit \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] Wir betrachten die \(3\times3\)-Matrix \(A=(a_{rs})\).
In jeder Restklasse gibt es \(m\) tatsächliche Zeilen, und jede enthält \(m\) Einträge \(I\). Daher ist jede Zeilensumme von \(A\) gleich \(m^2\). Ebenso ist jede Spaltensumme gleich \(m^2\).
Die Felder mit \(i-j\equiv0\pmod3\) bilden eine disjunkte Vereinigung von Diagonalen, deren Längen durch drei teilbar sind. Sie umfassen drei Restklassen von Feldern, die jeweils \(m^2\) Felder enthalten. Genau ein Drittel ihrer Einträge sind daher \(I\), also gilt \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] Dasselbe Argument für die Felder mit \(i+j\equiv1\pmod3\) ergibt \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
Nun addieren wir die mittlere Zeile, die mittlere Spalte und die beiden Diagonalen von \(A\). Ihre Summen ergeben zusammen \(4m^2\). Jeder Eintrag von \(A\) wird einmal gezählt, außer \(a_{22}\), das viermal gezählt wird. Da die Summe aller Einträge von \(A\) gleich \(3m^2\) ist, erhalten wir \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] Somit gilt \(m^2=3a_{22}\), also \(3\mid m\). Folglich ist \(9\mid n\).
Hinlänglichkeit. Sei \(n=9k\) mit \(k\ge1\). Wir wiederholen das folgende \(3\times9\)-Muster \(k\)-mal waagerecht und \(3k\)-mal senkrecht: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] Jede Zeile enthält \(3k=n/3\) Exemplare jedes Buchstabens. Auch jede Spalte enthält \(3k\) Exemplare jedes Buchstabens, da jede aufeinanderfolgende Gruppe von drei Zeilen jeden Buchstaben einmal enthält.
Wir zerlegen die Tabelle in \(3\times3\)-Blöcke. In jedem Block enthält jede seiner beiden Diagonalen ein \(I\), ein \(M\) und ein \(O\). Wir zeigen, dass jede Diagonale, deren Länge durch drei teilbar ist, eine Vereinigung solcher vollständigen Blockdiagonalen ist.
Wir schreiben die Koordinaten innerhalb eines Blocks als \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
Für eine solche Diagonale \(i-j=d\) gilt \(d\equiv0\pmod3\), also \(r-s\equiv0\pmod3\). Wegen \(-2\le r-s\le2\) folgt daraus zwingend \(r=s\). Wenn die Diagonale einen Block trifft, ist ihr Schnitt mit diesem Block somit dessen vollständige Hauptdiagonale.
Für eine solche Diagonale \(i+j=t\) gilt \(t\equiv1\pmod3\), also \(r+s\equiv1\pmod3\). Wegen \(2\le r+s\le6\) folgt daraus zwingend \(r+s=4\). Ihr Schnitt mit jedem Block, den sie trifft, ist somit dessen vollständige andere Diagonale.
Jede solche Diagonale wird daher in Dreiergruppen zerlegt, die jeden Buchstaben einmal enthalten. Damit ist die verbleibende Bedingung überprüft und die Konstruktion abgeschlossen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 2
\(n\) bir pozitif tam sayı olmak üzere, \(n\times n\) lik bir satranç tahtasının her birim karesine \(I\), \(M\) ve \(O\) harflerinden biri
- her satırda ve her sütunda, harflerin üçte biri \(I\), üçte biri \(M\) ve üçte biri \(O\) dur;
- üzerindeki birim kare sayısı 3 ün katı olan her köşegende, harflerin üçte biri \(I\), üçte biri \(M\) ve üçte biri \(O\) dur.
şartlarına uygun olarak yazılabiliyorsa, \(n\) nin alabileceği tüm değerleri bulunuz.
Not: \(n\times n\) lik satranç tahtasının satırları ve sütunları doğal şekilde 1 den \(n\) ye numaralandırılırsa, her birim kareye \(1\le i,j\le n\) olacak şekilde bir \((i,j)\) ikilisi karşılık gelir. \(n>1\) için, satranç tahtasının şöyle iki türde toplam \(4n-2\) köşegeni vardır: birinci tür her bir köşegen, \(i+j\) belli bir sabite eşit olacak şekildeki tüm \((i,j)\) birim karelerinden, ikinci tür her bir köşegen ise \(i-j\) belli bir sabite eşit olacak şekildeki tüm \((i,j)\) birim karelerinden oluşur.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{n=9k\quad\text{her pozitif tam sayı }k\text{ için}.} \]
Çözüm
Satır koşulundan \(3\mid n\) çıkar. \(n=3m\) yazalım.
\(i-j=d\) köşegeninin uzunluğu \(n-|d|\) olduğundan, uzunluğu ancak ve ancak \(d\equiv0\pmod3\) ise üçe bölünür. Benzer şekilde, \(i+j=s\) köşegeninin uzunluğu \[ n-|s-(n+1)|, \] olup bu uzunluk ancak ve ancak \(s\equiv1\pmod3\) ise üçe bölünür.
Gereklilik. Koşulları sağlayan bir doldurma olduğunu varsayalım. \(r,s\in\{1,2,3\}\) için, \(a_{rs}\) ile \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3 \] koşullarını sağlayan karelerdeki \(I\) harflerinin sayısını gösterelim. \(3\times3\) boyutlu \(A=(a_{rs})\) matrisini ele alalım.
Her kalan sınıfında tahtanın \(m\) satırı vardır ve bunların her biri \(m\) tane \(I\) içerir. Dolayısıyla \(A\) nın her satırının toplamı \(m^2\) dir. Aynı şekilde, her sütunun toplamı da \(m^2\) dir.
\(i-j\equiv0\pmod3\) koşulunu sağlayan kareler, uzunlukları üçe bölünen köşegenlerin ayrık birleşimini oluşturur. Bu kareler, her biri \(m^2\) kare içeren üç kalan sınıfından oluşur. Dolayısıyla bu karelerdeki harflerin tam üçte biri \(I\) olduğundan \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2 \] elde edilir. Aynı düşünceyi \(i+j\equiv1\pmod3\) koşulunu sağlayan karelere uygulayarak \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2 \] buluruz.
Şimdi \(A\) nın orta satırının, orta sütununun ve iki köşegeninin toplamlarını toplayalım. Bu toplamların toplamı \(4m^2\) dir. Dört kez sayılan \(a_{22}\) dışında, \(A\) nın her elemanı bir kez sayılır. \(A\) nın bütün elemanlarının toplamı \(3m^2\) olduğundan \[ 4m^2=3m^2+3a_{22} \] elde edilir. Böylece \(m^2=3a_{22}\), dolayısıyla \(3\mid m\) olur. Sonuç olarak \(9\mid n\) dir.
Yeterlilik. \(k\ge1\) olmak üzere \(n=9k\) olsun. Aşağıdaki \(3\times9\) luk düzeni yatayda \(k\) kez, düşeyde \(3k\) kez tekrarlayalım: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] Her satır, her harften \(3k=n/3\) tane içerir. Art arda gelen her üç satırlık grupta her harften bir tane bulunduğundan, her sütun da her harften \(3k\) tane içerir.
Tahtayı \(3\times3\) lük bloklara ayıralım. Her blokta, iki köşegenin her biri bir \(I\), bir \(M\) ve bir \(O\) içerir. Uzunluğu üçe bölünen her köşegenin, bu tür tam blok köşegenlerinin birleşimi olduğunu göstereceğiz.
Bir blok içindeki koordinatları \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\} \] biçiminde yazalım.
Koşulu sağlayan bir \(i-j=d\) köşegeni için \(d\equiv0\pmod3\), dolayısıyla \(r-s\equiv0\pmod3\) olur. \(-2\le r-s\le2\) olduğundan, buradan \(r=s\) olmak zorundadır. Dolayısıyla köşegen bir blokla kesiştiğinde, kesişimleri bloğun ana köşegeninin tamamıdır.
Koşulu sağlayan bir \(i+j=t\) köşegeni için \(t\equiv1\pmod3\), dolayısıyla \(r+s\equiv1\pmod3\) olur. \(2\le r+s\le6\) olduğundan, buradan \(r+s=4\) olmak zorundadır. Dolayısıyla kesiştiği herhangi bir blokla kesişimi, bloğun diğer köşegeninin tamamıdır.
Böylece koşulu sağlayan her köşegen, her harften bir tane içeren üçlü gruplara ayrılır. Bu da kalan koşulu doğrular ve inşayı tamamlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 2
Hallar todos los enteros positivos \(n\) para los que en cada casilla de un tablero \(n \times n\) se puede escribir una de las letras \(I\), \(M\) y \(O\) de manera que:
- en cada fila y en cada columna, un tercio de las casillas tiene \(I\), un tercio tiene \(M\) y un tercio tiene \(O\); y
- en cualquier línea diagonal compuesta por un número de casillas divisible por \(3\), exactamente un tercio de las casillas tienen \(I\), un tercio tiene \(M\) y un tercio tiene \(O\).
Nota: Las filas y las columnas del tablero \(n \times n\) se numeran desde \(1\) hasta \(n\), en su orden natural. Así, cada casilla corresponde a un par de enteros positivos \((i,j)\) con \(1 \le i,j \le n\). Para \(n > 1\), el tablero tiene \(4n - 2\) líneas diagonales de dos tipos. Una línea diagonal del primer tipo se compone de todas las casillas \((i,j)\) para las que \(i + j\) es una constante, mientras que una línea diagonal del segundo tipo se compone de todas las casillas \((i,j)\) para las que \(i - j\) es una constante.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{n=9k\quad\text{para todo entero positivo }k.} \]
Solución
La condición sobre las filas implica \(3\mid n\). Escribamos \(n=3m\).
Una diagonal \(i-j=d\) tiene longitud \(n-|d|\), por lo que su longitud es divisible por tres exactamente cuando \(d\equiv0\pmod3\). Análogamente, una diagonal \(i+j=s\) tiene longitud \[ n-|s-(n+1)|, \] que es divisible por tres exactamente cuando \(s\equiv1\pmod3\).
Necesidad. Supongamos que existe una manera válida de rellenar el tablero. Para \(r,s\in\{1,2,3\}\), sea \(a_{rs}\) el número de letras \(I\) en las casillas que satisfacen \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] Consideremos la matriz \(3\times3\) \(A=(a_{rs})\).
Hay \(m\) filas del tablero en cada clase de residuos, y cada una contiene \(m\) letras \(I\). Por tanto, la suma de cada fila de \(A\) es \(m^2\). Del mismo modo, la suma de cada columna es \(m^2\).
Las casillas con \(i-j\equiv0\pmod3\) forman una unión disjunta de diagonales cuyas longitudes son divisibles por tres. Comprenden tres clases de residuos de casillas, cada una de las cuales contiene \(m^2\) casillas. Por tanto, exactamente un tercio de sus letras son \(I\), lo que da \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] Aplicando el mismo argumento a las casillas con \(i+j\equiv1\pmod3\), obtenemos \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
Sumemos ahora la fila central, la columna central y las dos diagonales de \(A\). Sus sumas totalizan \(4m^2\). Cada entrada de \(A\) se cuenta una vez, salvo \(a_{22}\), que se cuenta cuatro veces. Como la suma de todas las entradas de \(A\) es \(3m^2\), obtenemos \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] Así, \(m^2=3a_{22}\), por lo que \(3\mid m\). En consecuencia, \(9\mid n\).
Suficiencia. Sea \(n=9k\), donde \(k\ge1\). Repitamos el siguiente patrón \(3\times9\) \(k\) veces horizontalmente y \(3k\) veces verticalmente: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] Cada fila contiene \(3k=n/3\) copias de cada letra. Cada columna también contiene \(3k\) copias de cada letra, pues cada grupo sucesivo de tres filas contiene una de cada una.
Dividamos el tablero en bloques \(3\times3\). Dentro de cada bloque, cada una de sus dos diagonales contiene una \(I\), una \(M\) y una \(O\). Demostremos que toda diagonal cuya longitud es divisible por tres es una unión de tales diagonales completas de bloques.
Escribamos las coordenadas dentro de un bloque como \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
Para una diagonal \(i-j=d\) cuya longitud es divisible por tres, tenemos \(d\equiv0\pmod3\), de donde \(r-s\equiv0\pmod3\). Como \(-2\le r-s\le2\), esto obliga a que \(r=s\). Así, siempre que la diagonal pasa por un bloque, su intersección con él es toda la diagonal principal del bloque.
Para una diagonal \(i+j=t\) cuya longitud es divisible por tres, tenemos \(t\equiv1\pmod3\), de donde \(r+s\equiv1\pmod3\). Como \(2\le r+s\le6\), esto obliga a que \(r+s=4\). Así, su intersección con cualquier bloque por el que pasa es toda la otra diagonal del bloque.
Por tanto, toda diagonal cuya longitud es divisible por tres queda dividida en ternas que contienen una de cada letra. Esto verifica la condición restante y completa la construcción.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 2
确定所有正整数\(n\), 使得可在一张\(n\times n\)方格表的每一小方格中填入字母\(I,M,O\)之一, 满足下列条件:
- 在每一行及每一列中, 恰有三分之一的小方格填入字母\(I\), 三分之一的小方格填入字母\(M\), 三分之一的小方格填入字母\(O\); 并且
- 在每条对角线上, 若该对角线上的小方格个数是三的倍数, 则恰有三分之一的小方格填入字母\(I\), 三分之一的小方格填入字母\(M\), 三分之一的小方格填入字母\(O\).
注: 一张\(n\times n\)方格表的行与列按自然的顺序标记为\(1\)至\(n\). 由此每个小方格对应于一个正整数对\((i,j)\), 其中\(1\le i,j\le n\). 对\(n>1\), 这张方格表有两类共计\(4n-2\)条对角线. 一条第一类对角线是由\(i+j\)是某个常数的所有小方格\((i,j)\)构成, 一条第二类对角线是由\(i-j\)是某个常数的所有小方格\((i,j)\)构成.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{n=9k\quad\text{对任意正整数 }k.} \]
解答
由行的条件可知\(3\mid n\)。设\(n=3m\)。
对角线\(i-j=d\)的长度为\(n-|d|\),因此其长度能被三整除当且仅当\(d\equiv0\pmod3\)。类似地,对角线\(i+j=s\)的长度为 \[ n-|s-(n+1)|, \] 该长度能被三整除当且仅当\(s\equiv1\pmod3\)。
必要性。 假设存在满足条件的填法。对于\(r,s\in\{1,2,3\}\),设\(a_{rs}\)为满足 \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] 的小方格中字母\(I\)的个数。考虑\(3\times3\)矩阵\(A=(a_{rs})\)。
每个剩余类中有\(m\)个实际的行,每行包含\(m\)个字母\(I\)。因此,\(A\)的每一行之和均为\(m^2\)。同理,每一列之和也均为\(m^2\)。
满足\(i-j\equiv0\pmod3\)的小方格构成若干条长度能被三整除的对角线的不交并。这些小方格分属三个剩余类,每类包含\(m^2\)个小方格。因此,其中恰有三分之一填入字母\(I\),从而 \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] 对满足\(i+j\equiv1\pmod3\)的小方格作同样的论证,得 \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
现在将\(A\)的中间一行、中间一列以及两条对角线的元素之和相加。总和为\(4m^2\)。除\(a_{22}\)被计入四次外,\(A\)的每个元素均恰被计入一次。由于\(A\)的所有元素之和为\(3m^2\),得到 \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] 于是\(m^2=3a_{22}\),故\(3\mid m\)。因此\(9\mid n\)。
充分性。 设\(n=9k\),其中\(k\ge1\)。将下面的\(3\times9\)图案横向重复\(k\)次、纵向重复\(3k\)次: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] 每一行都包含\(3k=n/3\)个各类字母。每一列也都包含\(3k\)个各类字母,因为每相邻的三行组成的一组中,每个字母各出现一次。
将方格表分割为\(3\times3\)的方块。在每个方块内,两条对角线各包含一个\(I\)、一个\(M\)和一个\(O\)。我们证明,每条长度能被三整除的对角线都是若干条这样的完整方块对角线的并。
将一个方块内的小方格坐标写为 \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
对于符合长度条件的对角线\(i-j=d\),有\(d\equiv0\pmod3\),所以\(r-s\equiv0\pmod3\)。由于\(-2\le r-s\le2\),必有\(r=s\)。因此,只要该对角线经过一个方块,它与该方块的交集就是方块的整条主对角线。
对于符合长度条件的对角线\(i+j=t\),有\(t\equiv1\pmod3\),所以\(r+s\equiv1\pmod3\)。由于\(2\le r+s\le6\),必有\(r+s=4\)。因此,它与所经过的任一方块的交集就是方块的另一条完整对角线。
因此,每条符合长度条件的对角线都被分成若干组三个小方格,每组包含每个字母各一个。这验证了剩余的条件,也就完成了构造。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 2
Найдите все положительные целые \(n\), для которых в каждую клетку таблицы \(n\times n\) можно записать ровно одну из букв \(I\), \(M\) или \(O\) так, что:
- в каждой строке и в каждом столбце ровно треть составляют буквы \(I\), ровно треть составляют буквы \(M\), и ровно треть составляют буквы \(O\); а также
- на каждой из диагоналей, количество клеток которой кратно трём, ровно треть составляют буквы \(I\), ровно треть составляют буквы \(M\), и ровно треть составляют буквы \(O\).
Примечание: Если строки и столбцы таблицы \(n\times n\) занумерованы числами от \(1\) до \(n\) в обычном порядке, то каждой клетке соответствует пара положительных целых чисел \((i,j)\), где \(1\le i,\ j\le n\). Для \(n>1\) в таблице суммарно есть \(4n-2\) диагоналей двух типов. Любая диагональ первого типа состоит из клеток \((i,j)\), для которых сумма \(i+j\) постоянна, а любая диагональ второго типа состоит из клеток \((i,j)\), для которых разность \(i-j\) постоянна.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{n=9k\quad\text{для любого положительного целого }k.} \]
Решение
Из условия для строк следует, что \(3\mid n\). Запишем \(n=3m\).
Диагональ \(i-j=d\) имеет длину \(n-|d|\), поэтому её длина делится на три тогда и только тогда, когда \(d\equiv0\pmod3\). Аналогично, диагональ \(i+j=s\) имеет длину \[ n-|s-(n+1)|, \] которая делится на три тогда и только тогда, когда \(s\equiv1\pmod3\).
Необходимость. Предположим, что существует заполнение, удовлетворяющее условиям. Для \(r,s\in\{1,2,3\}\) обозначим через \(a_{rs}\) число букв \(I\) в клетках, для которых \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] Рассмотрим матрицу \(A=(a_{rs})\) размера \(3\times3\).
Каждому классу вычетов соответствуют \(m\) строк исходной таблицы, и каждая из них содержит \(m\) букв \(I\). Поэтому сумма элементов каждой строки матрицы \(A\) равна \(m^2\). Аналогично, сумма элементов каждого столбца равна \(m^2\).
Клетки с \(i-j\equiv0\pmod3\) образуют непересекающееся объединение диагоналей, длины которых делятся на три. Они составляют три класса клеток по вычетам, каждый из которых содержит \(m^2\) клеток. Поэтому ровно треть записанных в них букв — это \(I\), откуда \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] Применяя такое же рассуждение к клеткам с \(i+j\equiv1\pmod3\), получаем \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
Теперь сложим элементы средней строки, среднего столбца и двух диагоналей матрицы \(A\). Общая сумма равна \(4m^2\). Каждый элемент матрицы \(A\) учтён один раз, кроме \(a_{22}\), который учтён четыре раза. Поскольку сумма всех элементов матрицы \(A\) равна \(3m^2\), получаем \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] Значит, \(m^2=3a_{22}\), поэтому \(3\mid m\). Следовательно, \(9\mid n\).
Достаточность. Пусть \(n=9k\), где \(k\ge1\). Повторим следующий шаблон размера \(3\times9\) \(k\) раз по горизонтали и \(3k\) раз по вертикали: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] Каждая строка содержит по \(3k=n/3\) букв каждого вида. Каждый столбец также содержит по \(3k\) букв каждого вида, поскольку в каждой очередной группе из трёх строк встречается по одной букве каждого вида.
Разобьём таблицу на блоки размера \(3\times3\). В каждом блоке каждая из двух его диагоналей содержит одну букву \(I\), одну \(M\) и одну \(O\). Покажем, что каждая диагональ, длина которой делится на три, является объединением таких полных диагоналей блоков.
Запишем координаты внутри блока в виде \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
Для диагонали \(i-j=d\), длина которой делится на три, имеем \(d\equiv0\pmod3\), откуда \(r-s\equiv0\pmod3\). Поскольку \(-2\le r-s\le2\), это означает, что \(r=s\). Таким образом, если диагональ проходит через блок, её пересечение с ним является полной главной диагональю блока.
Для диагонали \(i+j=t\), длина которой делится на три, имеем \(t\equiv1\pmod3\), откуда \(r+s\equiv1\pmod3\). Поскольку \(2\le r+s\le6\), это означает, что \(r+s=4\). Таким образом, её пересечение с любым блоком, через который она проходит, является полной побочной диагональю блока.
Следовательно, каждая диагональ, длина которой делится на три, разбивается на тройки клеток, содержащие по одной букве каждого вида. Тем самым проверено оставшееся условие и построение завершено.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 2
أوجد جميع الأعداد الصحيحة الموجبة \(n\) بحيث نستطيع أن نملأ كلّ خلية في جدول من النوع \(n\times n\) بأحد الحروف \(I\)، \(M\)، \(O\) على النحو التالي:
- في كلّ صفّ وفي كلّ عمود ثلث المدخلات هي \(I\)، وثلثها \(M\)، وثلثها \(O\)؛
- بالنسبة للأقطار، إذا كان عدد الخلايا يقبل القسمة على ثلاثة فإنّ ثلث المدخلات هي \(I\)، وثلثها \(M\)، وثلثها \(O\).
تنبيه: يتمّ ترقيم الصفوف والأعمدة في الجدول من النوع \(n\times n\) من \(1\) إلى \(n\) بالطريقة المعتادة من اليسار إلى اليمين ومن الأعلى إلى الأسفل. لذا فإنّه يمكن الترميز لكلّ خلية بزوج مرتّب من الأعداد الصحيحة الموجبة \((i,j)\) بحيث \(1\le i,j\le n\). لكلّ \(n>1\)، يحتوي الجدول على \(4n-2\) من الأقطار التي هي من نوعين: النوع الأوّل مكوّن من جميع الخلايا \((i,j)\) بحيث \(i+j\) كمية ثابتة، أمّا النوع الثاني مكوّن من جميع الخلايا \((i,j)\) بحيث \(i-j\) كمية ثابتة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{n=9k\quad\text{لكل عدد صحيح موجب }k.} \]
الحل
يقتضي شرط الصفوف أنّ \(3\mid n\). نكتب \(n=3m\).
طول القطر \(i-j=d\) هو \(n-|d|\)، ولذلك يقبل طوله القسمة على ثلاثة إذا وفقط إذا كان \(d\equiv0\pmod3\). وبالمثل، فإنّ طول القطر \(i+j=s\) هو \[ n-|s-(n+1)|, \] وهو يقبل القسمة على ثلاثة إذا وفقط إذا كان \(s\equiv1\pmod3\).
الضرورة. نفترض وجود ملء يحقّق الشروط. لكل \(r,s\in\{1,2,3\}\)، ليكن \(a_{rs}\) عدد المدخلات \(I\) في الخلايا التي تحقّق \[ i\equiv r\pmod3,\qquad j\equiv s\pmod3. \] نعتبر المصفوفة \(A=(a_{rs})\) من النوع \(3\times3\).
توجد \(m\) صفوف فعلية في كل فئة بواقٍ، ويحتوي كل منها على \(m\) مدخلات \(I\). لذا فإنّ مجموع كل صف في \(A\) هو \(m^2\). وبالمثل، فإنّ مجموع كل عمود هو \(m^2\).
تشكّل الخلايا التي تحقّق \(i-j\equiv0\pmod3\) اتحادًا متباينًا لأقطار تقبل أطوالها القسمة على ثلاثة. وهي تتكوّن من ثلاث فئات بواقٍ للخلايا، تحتوي كل منها على \(m^2\) خلية. ولذلك يكون ثلث مدخلاتها بالضبط من الحرف \(I\)، فنحصل على \[ a_{11}+a_{22}+a_{33}=m^2. \] وبتطبيق الحجة نفسها على الخلايا التي تحقّق \(i+j\equiv1\pmod3\) نحصل على \[ a_{13}+a_{22}+a_{31}=m^2. \]
نجمع الآن الصف الأوسط والعمود الأوسط وقطري \(A\). مجموع مجاميعها هو \(4m^2\). يُعدّ كل عنصر من \(A\) مرة واحدة، باستثناء \(a_{22}\) الذي يُعدّ أربع مرات. وبما أنّ مجموع جميع عناصر \(A\) هو \(3m^2\)، نحصل على \[ 4m^2=3m^2+3a_{22}. \] إذن \(m^2=3a_{22}\)، ومن ثمّ \(3\mid m\). وبالتالي \(9\mid n\).
الكفاية. ليكن \(n=9k\)، حيث \(k\ge1\). نكرّر النمط التالي من النوع \(3\times9\) عدد \(k\) مرات أفقيًا و\(3k\) مرات رأسيًا: \[ \begin{array}{ccc|ccc|ccc} I&I&I&M&M&M&O&O&O\\ M&M&M&O&O&O&I&I&I\\ O&O&O&I&I&I&M&M&M \end{array}. \] يحتوي كل صف على \(3k=n/3\) نسخة من كل حرف. ويحتوي كل عمود أيضًا على \(3k\) نسخة من كل حرف، إذ تحتوي كل مجموعة متعاقبة من ثلاثة صفوف على نسخة واحدة من كل حرف.
نقسّم الجدول إلى كتل من النوع \(3\times3\). في كل كتلة، يحتوي كل من قطريها على حرف واحد \(I\)، وحرف واحد \(M\)، وحرف واحد \(O\). سنبيّن أنّ كل قطر يقبل طوله القسمة على ثلاثة هو اتحاد لأقطار كاملة من هذه الكتل.
نكتب الإحداثيات داخل كتلة على الصورة \[ i=3a+r,\qquad j=3b+s,\qquad r,s\in\{1,2,3\}. \]
إذا كان القطر \(i-j=d\) يحقّق شرط الطول، فإنّ \(d\equiv0\pmod3\)، ومن ثمّ \(r-s\equiv0\pmod3\). وبما أنّ \(-2\le r-s\le2\)، يلزم أنّ \(r=s\). لذا، كلما التقى القطر بكتلة، كان تقاطعه معها هو قطرها الرئيسي كاملًا.
إذا كان القطر \(i+j=t\) يحقّق شرط الطول، فإنّ \(t\equiv1\pmod3\)، ومن ثمّ \(r+s\equiv1\pmod3\). وبما أنّ \(2\le r+s\le6\)، يلزم أنّ \(r+s=4\). لذا فإنّ تقاطعه مع أي كتلة يلتقيها هو قطرها الآخر كاملًا.
وعليه، ينقسم كل قطر يحقّق شرط الطول إلى ثلاثيات تحتوي كل منها على نسخة واحدة من كل حرف. وهذا يحقّق الشرط المتبقي ويُتمّ الإنشاء.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.