IMO 2016 · Problem 6
There are \(n \ge 2\) line segments in the plane such that every two segments cross, and no three segments meet at a point. Geoff has to choose an endpoint of each segment and place a frog on it, facing the other endpoint. Then he will clap his hands \(n-1\) times. Every time he claps, each frog will immediately jump forward to the next intersection point on its segment. Frogs never change the direction of their jumps. Geoff wishes to place the frogs in such a way that no two of them will ever occupy the same intersection point at the same time.
(a) Prove that Geoff can always fulfil his wish if \(n\) is odd.
(b) Prove that Geoff can never fulfil his wish if \(n\) is even.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Choose coordinate axes so that none of the segments is vertical. Their supporting lines are pairwise nonparallel, so we may label them \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n. \] Every intersection of two supporting lines lies on both original segments.
For \(i\ne j\), let \(r_i(j)\) be the position of \(\ell_i\cap\ell_j\) among the \(n-1\) intersections on \(\ell_i\), counted from left to right. These positions are distinct because no three lines meet at a point. A frog on segment \(i\) reaches this intersection at clap \[ r_i(j)\quad\text{if it faces right},\qquad n-r_i(j)\quad\text{if it faces left}. \]
We first establish three facts about these ranks.
Fix \(i<j\), and write \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\). For any \(k\ne i,j\), put \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] There are no triple intersections, so \(d\ne0\). The horizontal displacements from \(P\) to the intersections with \(\ell_k\) are \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] Consequently:
- If \(k<i\) or \(k>j\), these intersections are either both to the left of \(P\) or both to its right.
- If \(i<k<j\), exactly one of these intersections is to the left of \(P\).
Now \(r_i(j)-1\) and \(r_j(i)-1\) count the intersections to the left of \(P\) on the two lines. Each of the \(j-i-1\) intermediate-slope lines contributes exactly one to their sum, while every other line contributes zero or two. Hence \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] For consecutive slopes, every third line contributes equally to the two counts, giving \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n). \tag{2} \] For the smallest and largest slopes, every third line contributes exactly one to the sum, giving \[ r_1(n)+r_n(1)=n. \tag{3} \]
(a) Suppose \(n\) is odd. Place the frog on segment \(i\) facing right when \(i\) is odd and left when \(i\) is even.
Let \(t_i(j)\) be its arrival time at \(\ell_i\cap\ell_j\). Since \(n\) is odd, reversing direction changes the parity of the arrival time. Thus \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] For any \(i<j\), equation (1) yields \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] The two frogs therefore reach their common intersection at times of opposite parity, so they cannot collide. This holds for every pair, proving (a).
(b) Suppose \(n\) is even. Assume that some placement avoids all collisions.
By (2), frogs on segments \(i\) and \(i+1\) would collide if both faced right; they would also collide if both faced left. Thus consecutive segments in slope order must have frogs facing opposite directions.
Their directions must therefore alternate. Since \(n\) is even, the frogs on segments \(1\) and \(n\) face opposite directions. At their common intersection, their arrival times are either \[ r_1(n)\quad\text{and}\quad n-r_n(1), \] or \[ n-r_1(n)\quad\text{and}\quad r_n(1). \] In either case the two times are equal by (3), giving a collision. This contradiction proves (b), including the case \(n=2\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2016 · Aufgabe 6
In der Ebene seien \(n \ge 2\) Strecken so gegeben, dass sich je zwei Strecken kreuzen und keine drei durch einen gemeinsamen Punkt verlaufen. Lisa soll von jeder Strecke einen ihrer Endpunkte auswählen und dort einen Frosch so hinsetzen, dass er zum anderen Endpunkt blickt. Dann wird sie \(n-1\) mal in die Hände klatschen. Jedes Mal, wenn sie klatscht, springt jeder Frosch sofort vorwärts auf den nächsten Schnittpunkt auf seiner Strecke. Die Frösche wechseln nie die Sprungrichtung. Lisa möchte die Frösche so hinsetzen, dass sich niemals zwei Frösche gleichzeitig auf dem gleichen Schnittpunkt befinden.
(a) Man beweise, dass Lisa dies immer erreichen kann, wenn \(n\) ungerade ist.
(b) Man beweise, dass Lisa dies niemals erreichen kann, wenn \(n\) gerade ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir wählen die Koordinatenachsen so, dass keine der Strecken senkrecht ist. Ihre Trägergeraden sind paarweise nicht parallel, sodass wir sie mit \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n \] bezeichnen können. Jeder Schnittpunkt zweier Trägergeraden liegt auf beiden ursprünglichen Strecken.
Für \(i\ne j\) sei \(r_i(j)\) die Position von \(\ell_i\cap\ell_j\) unter den \(n-1\) Schnittpunkten auf \(\ell_i\), von links nach rechts gezählt. Diese Positionen sind verschieden, da keine drei Geraden durch einen Punkt gehen. Ein Frosch auf Strecke \(i\) erreicht diesen Schnittpunkt beim Klatschen mit der Nummer \[ r_i(j)\quad\text{wenn er nach rechts blickt},\qquad n-r_i(j)\quad\text{wenn er nach links blickt}. \]
Wir beweisen zunächst drei Aussagen über diese Positionen.
Wir wählen \(i<j\) fest und schreiben \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\). Für jedes \(k\ne i,j\) setzen wir \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] Es gibt keine dreifachen Schnittpunkte, also gilt \(d\ne0\). Die horizontalen Verschiebungen von \(P\) zu den Schnittpunkten mit \(\ell_k\) sind \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] Folglich gilt:
- Ist \(k<i\) oder \(k>j\), so liegen diese Schnittpunkte entweder beide links von \(P\) oder beide rechts davon.
- Ist \(i<k<j\), so liegt genau einer dieser Schnittpunkte links von \(P\).
Nun zählen \(r_i(j)-1\) und \(r_j(i)-1\) die Schnittpunkte links von \(P\) auf den beiden Geraden. Jede der \(j-i-1\) Geraden mit dazwischenliegender Steigung trägt genau eins zu ihrer Summe bei, während jede andere Gerade null oder zwei beiträgt. Daher gilt \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] Bei aufeinanderfolgenden Steigungen trägt jede dritte Gerade gleich viel zu den beiden Anzahlen bei, woraus \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n) \tag{2} \] folgt. Bei der kleinsten und der größten Steigung trägt jede dritte Gerade genau eins zur Summe bei, woraus \[ r_1(n)+r_n(1)=n \tag{3} \] folgt.
(a) Sei \(n\) ungerade. Wir setzen den Frosch auf Strecke \(i\) so hin, dass er nach rechts blickt, wenn \(i\) ungerade ist, und nach links, wenn \(i\) gerade ist.
Sei \(t_i(j)\) seine Ankunftszeit bei \(\ell_i\cap\ell_j\). Da \(n\) ungerade ist, ändert eine Umkehrung der Richtung die Parität der Ankunftszeit. Somit gilt \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] Für beliebige \(i<j\) liefert Gleichung (1) \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] Die beiden Frösche erreichen ihren gemeinsamen Schnittpunkt daher zu Zeiten unterschiedlicher Parität und können somit nicht zusammenstoßen. Dies gilt für jedes Paar und beweist (a).
(b) Sei \(n\) gerade. Wir nehmen an, dass eine Aufstellung alle Zusammenstöße vermeidet.
Nach (2) würden die Frösche auf den Strecken \(i\) und \(i+1\) zusammenstoßen, wenn beide nach rechts blickten; sie würden auch zusammenstoßen, wenn beide nach links blickten. Auf in der Steigungsreihenfolge aufeinanderfolgenden Strecken müssen die Frösche also in entgegengesetzte Richtungen blicken.
Ihre Blickrichtungen müssen sich daher abwechseln. Da \(n\) gerade ist, blicken die Frösche auf den Strecken \(1\) und \(n\) in entgegengesetzte Richtungen. An ihrem gemeinsamen Schnittpunkt sind ihre Ankunftszeiten entweder \[ r_1(n)\quad\text{und}\quad n-r_n(1), \] oder \[ n-r_1(n)\quad\text{und}\quad r_n(1). \] In beiden Fällen sind die beiden Zeiten nach (3) gleich, sodass es zu einem Zusammenstoß kommt. Dieser Widerspruch beweist (b), einschließlich des Falls \(n=2\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2016 · Soru 6
Düzlemde verilen \(n\ge 2\) adet doğru parçasının herhangi ikisi iç noktalarda kesişiyor ve herhangi üçü noktadaş değildir. Aslı her doğru parçasının bir ucunu seçip oraya bir kurbağayı, yüzü diğer uca dönük olarak, yerleştirecektir. Daha sonra \(n-1\) defa el çırpacaktır. Elini her çırptığında, kurbağaların her biri hemen ileri atlayıp kendi doğru parçası üzerindeki bir sonraki kesişim noktasına konacaktır. Bu kurbağalar atlama yönlerini hiç bir zaman değiştirmezler. Aslı bu kurbağaları, herhangi iki kurbağa asla aynı anda aynı kesişim noktasında buluşmayacak şekilde yerleştirmek istiyor.
Doğru parçaları, şartlara uygun olarak nasıl verilmiş olursa olsun,
(a) \(n\) tekse, Aslı’nın amacına ulaşabileceğini gösteriniz.
(b) \(n\) çiftse, Aslı’nın amacına ulaşamayacağını gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Koordinat eksenlerini, doğru parçalarının hiçbiri düşey olmayacak şekilde seçelim. Bu parçaları taşıyan doğrular ikişer ikişer paralel değildir; dolayısıyla onları \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n \] biçiminde adlandırabiliriz. Taşıyıcı doğrulardan herhangi ikisinin kesişimi, başlangıçtaki her iki doğru parçası üzerinde de bulunur.
\(i\ne j\) için, \(r_i(j)\) ile \(\ell_i\cap\ell_j\) noktasının, \(\ell_i\) üzerindeki \(n-1\) kesişim noktası arasında soldan sağa sayıldığındaki sırasını gösterelim. Hiçbir üç doğru bir noktada kesişmediğinden bu sıralar birbirinden farklıdır. \(i\) doğru parçasındaki kurbağa bu kesişime \[ r_i(j)\quad\text{sağa bakıyorsa},\qquad n-r_i(j)\quad\text{sola bakıyorsa} \] el çırpışında ulaşır.
Önce bu sıralarla ilgili üç olguyu ortaya koyalım.
\(i<j\) yi sabitleyelim ve \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\) yazalım. Herhangi bir \(k\ne i,j\) için \[ d=m_kx_0+b_k-y_0 \] alalım. Üçlü kesişim olmadığından \(d\ne0\) dır. \(P\) den \(\ell_k\) ile olan kesişimlere yatay yer değiştirmeler \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k} \] şeklindedir. Dolayısıyla:
- \(k<i\) veya \(k>j\) ise bu kesişimlerin ya ikisi de \(P\) nin solunda ya da ikisi de sağındadır.
- \(i<k<j\) ise bu kesişimlerin tam biri \(P\) nin solundadır.
Şimdi \(r_i(j)-1\) ve \(r_j(i)-1\), iki doğru üzerinde \(P\) nin solunda kalan kesişimlerin sayılarını verir. Eğimi arada olan \(j-i-1\) doğrunun her biri bu sayıların toplamına tam bir katkıda bulunurken, diğer her doğru sıfır veya iki katkıda bulunur. Dolayısıyla \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] Ardışık eğimler için, bunların dışındaki her doğru iki sayıya da eşit katkıda bulunur; buradan \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n) \tag{2} \] elde edilir. En küçük ve en büyük eğimler için, bunların dışındaki her doğru toplama tam bir katkıda bulunur; buradan \[ r_1(n)+r_n(1)=n \tag{3} \] elde edilir.
(a) \(n\) nin tek olduğunu varsayalım. \(i\) doğru parçasındaki kurbağayı, \(i\) tek olduğunda sağa, \(i\) çift olduğunda sola bakacak şekilde yerleştirelim.
Bu kurbağanın \(\ell_i\cap\ell_j\) noktasına varış zamanını \(t_i(j)\) ile gösterelim. \(n\) tek olduğundan, yönü tersine çevirmek varış zamanının tek-çiftliğini değiştirir. Dolayısıyla \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] Herhangi bir \(i<j\) için, (1) eşitliği \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2 \end{aligned} \] sonucunu verir. Dolayısıyla iki kurbağa ortak kesişimlerine tek-çiftlikleri farklı zamanlarda ulaşır; bu yüzden çarpışamazlar. Bu, her çift için geçerli olduğundan (a) kanıtlanır.
(b) \(n\) nin çift olduğunu varsayalım. Bütün çarpışmaları önleyen bir yerleşim olduğunu varsayalım.
(2) gereğince, \(i\) ve \(i+1\) doğru parçalarındaki kurbağaların ikisi de sağa baksaydı çarpışırlardı; ikisi de sola baksaydı yine çarpışırlardı. Dolayısıyla eğim sırasına göre ardışık doğru parçalarındaki kurbağalar zıt yönlere bakmalıdır.
Bu nedenle yönleri sırayla değişmelidir. \(n\) çift olduğundan, \(1\) ve \(n\) doğru parçalarındaki kurbağalar zıt yönlere bakar. Ortak kesişimlerine varış zamanları ya \[ r_1(n)\quad\text{ve}\quad n-r_n(1), \] ya da \[ n-r_1(n)\quad\text{ve}\quad r_n(1) \] olur. Her iki durumda da (3) gereğince bu iki zaman eşittir ve bir çarpışma meydana gelir. Bu çelişki, \(n=2\) durumu da dâhil olmak üzere (b) yi kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2016 · Problema 6
Se tienen \(n \ge 2\) segmentos en el plano tales que cada par de segmentos se intersecan en un punto interior a ambos, y no hay tres segmentos que tengan un punto en común. Mafalda debe elegir uno de los extremos de cada segmento y colocar sobre él una rana mirando hacia el otro extremo. Luego silbará \(n - 1\) veces. En cada silbido, cada rana saltará inmediatamente hacia adelante hasta el siguiente punto de intersección sobre su segmento. Las ranas nunca cambian las direcciones de sus saltos. Mafalda quiere colocar a las ranas de tal forma que nunca dos de ellas ocupen al mismo tiempo el mismo punto de intersección.
(a) Demostrar que si \(n\) es impar, Mafalda siempre puede lograr su objetivo.
(b) Demostrar que si \(n\) es par, Mafalda nunca logrará su objetivo.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Elijamos unos ejes de coordenadas de modo que ninguno de los segmentos sea vertical. Las rectas que los contienen son no paralelas dos a dos, por lo que podemos designarlas como \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n. \] Toda intersección de dos de estas rectas pertenece a ambos segmentos originales.
Para \(i\ne j\), sea \(r_i(j)\) la posición de \(\ell_i\cap\ell_j\) entre las \(n-1\) intersecciones sobre \(\ell_i\), contadas de izquierda a derecha. Estas posiciones son distintas porque no hay tres rectas que se corten en un punto. Una rana en el segmento \(i\) llega a esta intersección en el silbido \[ r_i(j)\quad\text{si mira hacia la derecha},\qquad n-r_i(j)\quad\text{si mira hacia la izquierda}. \]
Primero establezcamos tres hechos sobre estas posiciones.
Fijemos \(i<j\), y escribamos \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\). Para cualquier \(k\ne i,j\), pongamos \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] No hay intersecciones triples, por lo que \(d\ne0\). Los desplazamientos horizontales desde \(P\) hasta las intersecciones con \(\ell_k\) son \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] Por consiguiente:
- Si \(k<i\) o \(k>j\), estas intersecciones están ambas a la izquierda de \(P\) o ambas a su derecha.
- Si \(i<k<j\), exactamente una de estas intersecciones está a la izquierda de \(P\).
Ahora bien, \(r_i(j)-1\) y \(r_j(i)-1\) cuentan las intersecciones a la izquierda de \(P\) en las dos rectas. Cada una de las \(j-i-1\) rectas de pendiente intermedia aporta exactamente uno a su suma, mientras que cada una de las demás rectas aporta cero o dos. Por tanto, \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] Para pendientes consecutivas, cualquier tercera recta aporta lo mismo a ambos recuentos, lo que da \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n). \tag{2} \] Para las pendientes menor y mayor, cualquier tercera recta aporta exactamente uno a la suma, lo que da \[ r_1(n)+r_n(1)=n. \tag{3} \]
(a) Supongamos que \(n\) es impar. Coloquemos la rana del segmento \(i\) mirando hacia la derecha cuando \(i\) es impar y hacia la izquierda cuando \(i\) es par.
Sea \(t_i(j)\) su tiempo de llegada a \(\ell_i\cap\ell_j\). Como \(n\) es impar, invertir la dirección cambia la paridad del tiempo de llegada. Por tanto, \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] Para cualesquiera \(i<j\), la ecuación (1) da \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] Por tanto, las dos ranas llegan a su intersección común en tiempos de distinta paridad, por lo que no pueden coincidir. Esto se cumple para todo par, lo que demuestra (a).
(b) Supongamos que \(n\) es par. Supongamos que alguna colocación evita todas las coincidencias.
Por (2), las ranas de los segmentos \(i\) e \(i+1\) coincidirían si ambas mirasen hacia la derecha; también coincidirían si ambas mirasen hacia la izquierda. Por tanto, los segmentos consecutivos en el orden de sus pendientes deben tener ranas que miren en direcciones opuestas.
Sus direcciones deben, por tanto, alternarse. Como \(n\) es par, las ranas de los segmentos \(1\) y \(n\) miran en direcciones opuestas. En su intersección común, sus tiempos de llegada son, o bien \[ r_1(n)\quad\text{y}\quad n-r_n(1), \] o bien \[ n-r_1(n)\quad\text{y}\quad r_n(1). \] En cualquiera de los dos casos, los dos tiempos son iguales por (3), lo que produce una coincidencia. Esta contradicción demuestra (b), incluido el caso \(n=2\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2016 · 问题 6
在平面上有\(n\ge2\)条线段, 其中任意两条线段都交叉, 且没有三条线段相交于同一点. 杰夫在每条线段上选取一个端点并放置一只青蛙在此端点上, 青蛙面向另一个端点. 接着杰夫会拍\(n-1\)次手. 每当他拍一次手时, 每只青蛙都立即向前跳到它所在线段上的下一个交点. 每只青蛙自始至终不改变跳跃的方向. 杰夫的愿望是能够适当地放置青蛙, 使得在任何时刻不会有两只青蛙落在同一个交点上.
(a) 证明: 若\(n\)是奇数, 则杰夫总能实现他的愿望.
(b) 证明: 若\(n\)是偶数, 则杰夫总不能实现他的愿望.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
选取坐标轴,使得没有线段是竖直的。它们所在的直线两两不平行,因此可将这些直线标记为 \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n. \] 任意两条所在直线的交点都位于两条原线段上。
对于\(i\ne j\),设\(r_i(j)\)为\(\ell_i\cap\ell_j\)在\(\ell_i\)上的\(n-1\)个交点中从左到右的序号。由于没有三条直线交于一点,这些序号互不相同。线段\(i\)上的青蛙到达该交点时的拍手次数为 \[ r_i(j)\quad\text{若它面向右方},\qquad n-r_i(j)\quad\text{若它面向左方}. \]
我们先证明关于这些序号的三个事实。
固定\(i<j\),记\(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\)。对于任意\(k\ne i,j\),令 \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] 由于没有三线共点,\(d\ne0\)。从\(P\)到与\(\ell_k\)所成的交点的水平位移分别为 \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] 因此:
- 若\(k<i\)或\(k>j\),这两个交点或者都在\(P\)的左侧,或者都在其右侧。
- 若\(i<k<j\),这两个交点中恰有一个在\(P\)的左侧。
此时,\(r_i(j)-1\)和\(r_j(i)-1\)分别表示两条直线上位于\(P\)左侧的交点个数。斜率介于二者之间的\(j-i-1\)条直线中的每一条对这两个数之和恰好贡献一,而其余每条直线贡献零或二。因此 \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] 对于斜率相邻的两条直线,任何第三条直线对两个计数的贡献相等,得到 \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n). \tag{2} \] 对于斜率最小和最大的两条直线,任何第三条直线对两数之和恰好贡献一,得到 \[ r_1(n)+r_n(1)=n. \tag{3} \]
(a) 假设\(n\)为奇数。 放置线段\(i\)上的青蛙,使其在\(i\)为奇数时面向右方,在\(i\)为偶数时面向左方。
设\(t_i(j)\)为它到达\(\ell_i\cap\ell_j\)的时刻。由于\(n\)为奇数,反转方向会改变到达时刻的奇偶性。因此 \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] 对于任意\(i<j\),由等式 (1) 得 \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] 因此,这两只青蛙到达共同交点的时刻奇偶性相反,所以不会相撞。这对每一对青蛙都成立,从而证明了 (a)。
(b) 假设\(n\)为偶数。 假设存在一种放置方式能够避免所有碰撞。
由 (2),若线段\(i\)和\(i+1\)上的青蛙都面向右方,则它们会相撞;若它们都面向左方,也会相撞。因此,按斜率排序后,相邻线段上的青蛙必须面向相反方向。
于是,它们的朝向必须交替。由于\(n\)为偶数,线段\(1\)和\(n\)上的青蛙面向相反方向。它们到达共同交点的时刻或者为 \[ r_1(n)\quad\text{和}\quad n-r_n(1), \] 或者为 \[ n-r_1(n)\quad\text{和}\quad r_n(1). \] 无论哪种情形,由 (3) 可知两个时刻相等,因此发生碰撞。这一矛盾证明了 (b),也包括\(n=2\)的情形。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2016 · Задача 6
На плоскости расположено \(n\ge2\) отрезков так, что любые два из них пересекаются по внутренней точке, а никакие три из них не имеют общей точки. Иван выбирает один из концов каждого отрезка и сажает в него лягушку лицом к другому концу этого отрезка. Затем он \(n-1\) раз хлопает в ладоши. При каждом хлопке каждая из лягушек немедленно прыгает вперёд в следующую точку пересечения на её отрезке. Лягушки никогда не меняют направления своих прыжков. Иван хочет изначально рассадить лягушек так, чтобы никакие две из них никогда не оказались в одной точке пересечения одновременно.
(a) Докажите, что Иван всегда может добиться желаемого, если \(n\) нечётно.
(b) Докажите, что Иван никогда не сможет достичь желаемого, если \(n\) чётно.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Выберем оси координат так, чтобы ни один из отрезков не был вертикальным. Содержащие их прямые попарно непараллельны, поэтому можно обозначить их так: \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n. \] Каждая точка пересечения двух содержащих отрезки прямых лежит на обоих исходных отрезках.
Для \(i\ne j\) обозначим через \(r_i(j)\) порядковый номер точки \(\ell_i\cap\ell_j\) среди \(n-1\) точек пересечения на \(\ell_i\), считая слева направо. Эти номера различны, поскольку никакие три прямые не проходят через одну точку. Лягушка на отрезке \(i\) достигает этой точки пересечения при хлопке с номером \[ r_i(j)\quad\text{если она смотрит вправо},\qquad n-r_i(j)\quad\text{если она смотрит влево}. \]
Сначала установим три факта об этих порядковых номерах.
Зафиксируем \(i<j\) и обозначим \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\). Для любого \(k\ne i,j\) положим \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] Точек пересечения трёх прямых нет, поэтому \(d\ne0\). Горизонтальные смещения от \(P\) до точек пересечения с \(\ell_k\) равны \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] Следовательно:
- Если \(k<i\) или \(k>j\), обе эти точки пересечения лежат либо слева от \(P\), либо справа от неё.
- Если \(i<k<j\), ровно одна из этих точек пересечения лежит слева от \(P\).
Числа \(r_i(j)-1\) и \(r_j(i)-1\) равны количествам точек пересечения слева от \(P\) на двух прямых. Каждая из \(j-i-1\) прямых с промежуточными угловыми коэффициентами вносит в их сумму ровно единицу, а каждая другая прямая — нуль или два. Значит, \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] Для прямых с соседними угловыми коэффициентами любая третья прямая вносит одинаковый вклад в оба количества, откуда \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n). \tag{2} \] Для прямых с наименьшим и наибольшим угловыми коэффициентами каждая третья прямая вносит в сумму ровно единицу, откуда \[ r_1(n)+r_n(1)=n. \tag{3} \]
(a) Пусть \(n\) нечётно. Посадим лягушку на отрезке \(i\) лицом вправо, если \(i\) нечётно, и влево, если \(i\) чётно.
Обозначим через \(t_i(j)\) момент её прибытия в \(\ell_i\cap\ell_j\). Поскольку \(n\) нечётно, смена направления меняет чётность момента прибытия. Поэтому \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] Для любых \(i<j\) равенство (1) даёт \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] Следовательно, две лягушки достигают общей точки пересечения в моменты разной чётности, поэтому они не могут столкнуться. Это верно для каждой пары, что доказывает (a).
(b) Пусть \(n\) чётно. Предположим, что существует расстановка, при которой столкновений не происходит.
По (2) лягушки на отрезках \(i\) и \(i+1\) столкнулись бы, если бы обе смотрели вправо; они также столкнулись бы, если бы обе смотрели влево. Поэтому лягушки на соседних отрезках в порядке возрастания угловых коэффициентов должны смотреть в противоположных направлениях.
Следовательно, их направления должны чередоваться. Поскольку \(n\) чётно, лягушки на отрезках \(1\) и \(n\) смотрят в противоположных направлениях. В их общую точку пересечения они прибывают в моменты \[ r_1(n)\quad\text{и}\quad n-r_n(1), \] либо \[ n-r_1(n)\quad\text{и}\quad r_n(1). \] В любом случае эти два момента равны по (3), и происходит столкновение. Полученное противоречие доказывает (b), включая случай \(n=2\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2016 · المسألة 6
لدينا \(n\ge2\) قطعة مستقيمة في المستوي بحيث تتقاطع كلّ قطعتين في غير طرفيهما ولا تلتقي ثلاثة منها في نقطة واحدة. تريد نجاح أن تختار من كلّ قطعة طرفا تضع فيه أرنبا وجهه للطرف الآخر. ثمّ تصفّق \(n-1\) مرّة متتالية. عند كلّ تصفيقة يقفز كلّ أرنب إلى نقطة التقاطع التالية على قطعته، مع العلم أنّ الأرنب لا يغيّر أبدا اتّجاه حركته. ترغب نجاح في أن تضع الأرانب بحيث لا يلتقي أيّ أرنبين أبدا في أيّ نقطة تقاطع في نفس الوقت.
أ. أثبت أنّه يمكن دائما لنجاح أن تحقّق رغبتها إذا كانت قيمة \(n\) فردية.
ب. أثبت أنّه لا يمكن أبدا لنجاح أن تحقّق رغبتها إذا كانت قيمة \(n\) زوجية.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نختار محوري الإحداثيات بحيث لا تكون أي من القطع رأسية. المستقيمات الحاملة لها غير متوازية اثنين اثنين، ولذلك يمكننا تسميتها \[ \ell_i:\ y=m_i x+b_i,\qquad m_1<m_2<\cdots<m_n. \] تقع كل نقطة تقاطع لمستقيمين حاملين على كلتا القطعتين الأصليتين.
لكل \(i\ne j\)، ليكن \(r_i(j)\) موضع \(\ell_i\cap\ell_j\) بين نقاط التقاطع الـ\(n-1\) على \(\ell_i\)، عند عدّها من اليسار إلى اليمين. هذه المواضع متمايزة لأنّ أي ثلاثة مستقيمات لا تلتقي في نقطة واحدة. يصل ضفدع على القطعة \(i\) إلى نقطة التقاطع هذه عند التصفيقة \[ r_i(j)\quad\text{إذا كان متجهًا إلى اليمين},\qquad n-r_i(j)\quad\text{إذا كان متجهًا إلى اليسار}. \]
نثبت أولًا ثلاث حقائق عن هذه الرتب.
نثبّت \(i<j\)، ونكتب \(P=\ell_i\cap\ell_j=(x_0,y_0)\). لكل \(k\ne i,j\)، نضع \[ d=m_kx_0+b_k-y_0. \] لا توجد نقاط تقاطع ثلاثية، ولذلك \(d\ne0\). الإزاحتان الأفقيتان من \(P\) إلى نقطتي التقاطع مع \(\ell_k\) هما \[ x(\ell_i\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_i-m_k}, \qquad x(\ell_j\cap\ell_k)-x_0=\frac{d}{m_j-m_k}. \] وبالتالي:
- إذا كان \(k<i\) أو \(k>j\)، فإنّ نقطتي التقاطع هاتين تقعان إمّا كلتاهما إلى يسار \(P\)، أو كلتاهما إلى يمينها.
- إذا كان \(i<k<j\)، فإنّ واحدة بالضبط من نقطتي التقاطع هاتين تقع إلى يسار \(P\).
الآن، يعدّ \(r_i(j)-1\) و\(r_j(i)-1\) نقاط التقاطع الواقعة إلى يسار \(P\) على المستقيمين. يساهم كل واحد من المستقيمات الـ\(j-i-1\) ذات الميول المتوسطة بواحد بالضبط في مجموعهما، بينما يساهم كل مستقيم آخر بصفر أو باثنين. إذن \[ r_i(j)+r_j(i)\equiv j-i+1\pmod2. \tag{1} \] بالنسبة إلى ميلين متتاليين، يساهم كل مستقيم ثالث بالقدر نفسه في العدّين، فنحصل على \[ r_i(i+1)=r_{i+1}(i)\qquad(1\le i<n). \tag{2} \] وبالنسبة إلى أصغر ميل وأكبر ميل، يساهم كل مستقيم ثالث بواحد بالضبط في المجموع، فنحصل على \[ r_1(n)+r_n(1)=n. \tag{3} \]
(أ) نفترض أنّ \(n\) فردي. نضع الضفدع على القطعة \(i\) متجهًا إلى اليمين عندما يكون \(i\) فرديًا، وإلى اليسار عندما يكون \(i\) زوجيًا.
ليكن \(t_i(j)\) زمن وصوله إلى \(\ell_i\cap\ell_j\). بما أنّ \(n\) فردي، فإنّ عكس الاتجاه يغيّر زوجية زمن الوصول. ومن ثمّ \[ t_i(j)\equiv r_i(j)+i-1\pmod2. \] لكل \(i<j\)، تعطينا المعادلة (1) \[ \begin{aligned} t_i(j)+t_j(i) &\equiv r_i(j)+r_j(i)+(i-1)+(j-1)\\ &\equiv (j-i+1)+(i-1)+(j-1)\\ &=2j-1 \equiv1\pmod2. \end{aligned} \] إذن يصل الضفدعان إلى نقطة تقاطعهما المشتركة في زمنين مختلفي الزوجية، فلا يمكن أن يصطدما. وينطبق ذلك على كل زوج، ممّا يثبت (أ).
(ب) نفترض أنّ \(n\) زوجي. نفترض وجود توزيع يتجنب جميع الاصطدامات.
بحسب (2)، سيصطدم الضفدعان الموجودان على القطعتين \(i\) و\(i+1\) إذا كان كلاهما متجهًا إلى اليمين؛ وسيصطدمان أيضًا إذا كان كلاهما متجهًا إلى اليسار. لذا لا بدّ أن يتجه الضفدعان على أي قطعتين متتاليتين في ترتيب الميول في اتجاهين متعاكسين.
ومن ثمّ لا بدّ أن تتناوب اتجاهاتهما. وبما أنّ \(n\) زوجي، فإنّ الضفدعين على القطعتين \(1\) و\(n\) يتجهان في اتجاهين متعاكسين. وعند نقطة تقاطعهما المشتركة، يكون زمنا وصولهما إمّا \[ r_1(n)\quad\text{و}\quad n-r_n(1), \] أو \[ n-r_1(n)\quad\text{و}\quad r_n(1). \] في كلتا الحالتين، يتساوى الزمنان بحسب (3)، فيحدث اصطدام. يثبت هذا التناقض (ب)، بما في ذلك الحالة \(n=2\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.