IMO 2017 · Problem 3
A hunter and an invisible rabbit play a game in the Euclidean plane. The rabbit’s starting point, \(A_0\), and the hunter’s starting point, \(B_0\), are the same. After \(n-1\) rounds of the game, the rabbit is at point \(A_{n-1}\) and the hunter is at point \(B_{n-1}\). In the \(n^{\text{th}}\) round of the game, three things occur in order.
(i) The rabbit moves invisibly to a point \(A_n\) such that the distance between \(A_{n-1}\) and \(A_n\) is exactly 1.
(ii) A tracking device reports a point \(P_n\) to the hunter. The only guarantee provided by the tracking device to the hunter is that the distance between \(P_n\) and \(A_n\) is at most 1.
(iii) The hunter moves visibly to a point \(B_n\) such that the distance between \(B_{n-1}\) and \(B_n\) is exactly 1.
Is it always possible, no matter how the rabbit moves, and no matter what points are reported by the tracking device, for the hunter to choose her moves so that after \(10^9\) rounds she can ensure that the distance between her and the rabbit is at most 100?
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
No.
Solution
Fix any strategy for the hunter. We will construct legal rabbit moves and reports for which this strategy fails.
We will repeatedly use two possible rabbit paths that produce exactly the same reports. The hunter follows the same sequence of moves for both paths, so her response can be calculated from her fixed strategy before either path is followed. Consequently, we may select whichever path gives the desired outcome without violating the order of moves.
First, prescribe \(P_1=A_0\). Let \(B_1\) be the hunter’s response under her strategy, and choose \[ A_1=2A_0-B_1. \] Because \(A_0=B_0\) and \(B_0B_1=1\), both the rabbit’s first move and the tracking error have length \(1\), while \[ A_1B_1=2. \]
We now prove that whenever the distance \(d\) between the rabbit and hunter satisfies \[ 1\le d\le100, \] we can arrange the next \(200\) rounds so that their new distance \(d'\) satisfies \[ (d')^2>d^2+\frac12. \]
Choose coordinates with the hunter’s current position at \((0,0)\) and the rabbit’s current position at \((d,0)\). Put \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] Consider the following two possible rabbit paths, indexed by \(\varepsilon\in\{-1,1\}\): \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] Every rabbit move has length \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] For round \(j\), prescribe the report \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right). \] These reports are valid for either path, because \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
Let the hunter’s position after these \(200\) rounds be \((x,y)\). It is the same for both rabbit paths. Since she has made \(200\) moves of length \(1\), her displacement has length at most \(200\), and hence \(x\le200\).
Choose the rabbit path whose final vertical coordinate, either \(1\) or \(-1\), is farther from \(y\). The vertical separation is then \(1+|y|\ge1\). Define \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] We have \(0<\delta<1\). Thus the horizontal separation satisfies \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] It follows that \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] The identity \(L^2=200^2-1\) gives \[ 1+\delta^2=400\delta. \] Therefore, using \(d\le100\), \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] This proves the claimed construction.
Starting from distance \(2\) after the first round, apply this construction in successive blocks of \(200\) rounds until a block ends with distance greater than \(100\). Such a block must occur among the first \(20\,000\) blocks: otherwise, the squared distance after those blocks would exceed \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] a contradiction. Thus the distance exceeds \(100\) after at most \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] rounds.
For every remaining round, the rabbit moves one unit directly away from the hunter’s current position, and the device reports the rabbit’s actual new position. If the distance before such a round is \(r>100\), the rabbit’s new position is at distance \(r+1\) from the hunter’s old position. By the triangle inequality, after the hunter’s unit move their distance is at least \[ (r+1)-1=r. \] Hence the distance remains greater than \(100\) through round \(10^9\).
Since this construction defeats every fixed hunter strategy, the hunter cannot ensure the required distance.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2017 · Aufgabe 3
Ein Jäger und ein unsichtbarer Hase spielen in der euklidischen Ebene ein Spiel. Der Ausgangspunkt \(A_0\) des Hasen und der Ausgangspunkt \(B_0\) des Jägers sind gleich. Nach \(n-1\) Runden des Spiels befinden sich der Hase im Punkt \(A_{n-1}\) und der Jäger im Punkt \(B_{n-1}\). Die \(n\)-te Runde des Spiels besteht aus drei Schritten in der angegebenen Reihenfolge:
(i) Der Hase bewegt sich unsichtbar zu einem Punkt \(A_n\), so dass der Abstand zwischen \(A_{n-1}\) und \(A_n\) genau eins ist.
(ii) Ein Ortungsgerät meldet dem Jäger einen Punkt \(P_n\). Die einzige Garantie, die das Ortungsgerät dem Jäger gibt, ist, dass der Abstand zwischen \(P_n\) und \(A_n\) höchstens eins ist.
(iii) Der Jäger bewegt sich sichtbar zu einem Punkt \(B_n\), so dass der Abstand zwischen \(B_{n-1}\) und \(B_n\) genau eins ist.
Ist es immer möglich, egal wie sich der Hase bewegt und egal welche Punkte das Ortungsgerät meldet, dass der Jäger seine Bewegungen so wählen kann, dass der Abstand zwischen ihm und dem Hasen nach \(10^9\) Runden höchstens \(100\) ist?
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Nein.
Lösung
Wir legen eine beliebige Strategie des Jägers fest. Wir konstruieren zulässige Bewegungen des Hasen und Meldungen, bei denen diese Strategie scheitert.
Wir verwenden wiederholt zwei mögliche Wege des Hasen, die genau dieselben Meldungen erzeugen. Der Jäger führt bei beiden Wegen dieselbe Folge von Bewegungen aus, sodass seine Reaktion anhand seiner festgelegten Strategie berechnet werden kann, bevor einer der beiden Wege durchlaufen wird. Daher können wir jeweils denjenigen Weg wählen, der das gewünschte Ergebnis liefert, ohne die Reihenfolge der Züge zu verletzen.
Zunächst geben wir \(P_1=A_0\) vor. Sei \(B_1\) die Reaktion des Jägers gemäß seiner Strategie, und wir wählen \[ A_1=2A_0-B_1. \] Wegen \(A_0=B_0\) und \(B_0B_1=1\) haben sowohl die erste Bewegung des Hasen als auch der Ortungsfehler die Länge \(1\), während \[ A_1B_1=2. \]
Wir beweisen nun: Wenn der Abstand \(d\) zwischen dem Hasen und dem Jäger \[ 1\le d\le100 \] erfüllt, können wir die nächsten \(200\) Runden so gestalten, dass ihr neuer Abstand \(d'\) die Ungleichung \[ (d')^2>d^2+\frac12 \] erfüllt.
Wir wählen Koordinaten so, dass sich der Jäger derzeit in \((0,0)\) und der Hase in \((d,0)\) befindet. Wir setzen \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] Wir betrachten die folgenden beiden möglichen Wege des Hasen, indiziert durch \(\varepsilon\in\{-1,1\}\): \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] Jede Bewegung des Hasen hat die Länge \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] Für Runde \(j\) geben wir die Meldung \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right) \] vor. Diese Meldungen sind für beide Wege zulässig, denn \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
Sei \((x,y)\) die Position des Jägers nach diesen \(200\) Runden. Sie ist für beide Wege des Hasen dieselbe. Da er \(200\) Bewegungen der Länge \(1\) ausgeführt hat, beträgt seine Entfernung vom Ausgangspunkt höchstens \(200\), und somit ist \(x\le200\).
Wir wählen den Weg des Hasen, dessen vertikale Endkoordinate, also \(1\) oder \(-1\), weiter von \(y\) entfernt ist. Der vertikale Abstand beträgt dann \(1+|y|\ge1\). Wir definieren \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] Es gilt \(0<\delta<1\). Somit erfüllt der horizontale Abstand \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] Daraus folgt \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] Die Identität \(L^2=200^2-1\) ergibt \[ 1+\delta^2=400\delta. \] Unter Verwendung von \(d\le100\) folgt daher \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] Damit ist die behauptete Konstruktion bewiesen.
Ausgehend vom Abstand \(2\) nach der ersten Runde wenden wir diese Konstruktion in aufeinanderfolgenden Blöcken von \(200\) Runden an, bis ein Block mit einem Abstand größer als \(100\) endet. Ein solcher Block muss unter den ersten \(20\,000\) Blöcken auftreten: Andernfalls wäre das Quadrat des Abstands nach diesen Blöcken größer als \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] ein Widerspruch. Somit übersteigt der Abstand \(100\) nach höchstens \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] Runden.
In jeder verbleibenden Runde bewegt sich der Hase um eine Einheit direkt von der aktuellen Position des Jägers weg, und das Gerät meldet die tatsächliche neue Position des Hasen. Beträgt der Abstand vor einer solchen Runde \(r>100\), so liegt die neue Position des Hasen im Abstand \(r+1\) von der alten Position des Jägers. Nach der Dreiecksungleichung beträgt ihr Abstand nach der Bewegung des Jägers um eine Einheit mindestens \[ (r+1)-1=r. \] Also bleibt der Abstand bis einschließlich Runde \(10^9\) größer als \(100\).
Da diese Konstruktion jede festgelegte Strategie des Jägers scheitern lässt, kann der Jäger den geforderten Abstand nicht sicherstellen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2017 · Soru 3
Bir avcı ve bir görünmez tavşan düzlemde bir oyun oynuyorlar. Tavşanın başlama noktası \(A_0\) ile avcının başlama noktası \(B_0\) aynıdır. Oyunun \((n-1)\)'inci turunun sonunda tavşan \(A_{n-1}\) noktasında, avcı ise \(B_{n-1}\) noktasında bulunsun. Oyunun \(n\)'inci turunda, şu üç işlem sırayla gerçekleşiyor:
(i) Tavşan \(A_{n-1}\) noktasına tam olarak 1 birim uzaklıkta bulunan bir \(A_n\) noktası seçip görünmez kalarak \(A_n\) ye yerleşiyor.
(ii) Bir takip cihazı avcıya bir \(P_n\) noktası bildiriyor. Takip cihazının avcıya verdiği tek garanti \(P_n\) ile \(A_n\) arasındaki uzaklığın 1 birimden fazla olmadığıdır.
(iii) Avcı \(B_{n-1}\) noktasına tam olarak 1 birim uzaklıkta bulunan bir \(B_n\) noktası seçip görünür kalarak \(B_n\) ye yerleşiyor.
Tavşan nasıl hareket ederse etsin ve takip cihazı hangi noktaları bildirirse bildirsin, avcı kendi hareketlerini öyle seçebilir mi ki \(10^9\) tur sonunda kendisiyle tavşan arasındaki uzaklığın 100 den fazla olmayacağını garantilesin?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Hayır.
Çözüm
Avcının herhangi bir stratejisini sabitleyelim. Bu stratejinin başarısız olduğu, kurallara uygun tavşan hareketleri ve bildirimler oluşturacağız.
Tam olarak aynı bildirimleri üreten iki olası tavşan yolunu tekrar tekrar kullanacağız. Avcı her iki yol için de aynı hareket dizisini izler; dolayısıyla yolların herhangi biri izlenmeden önce avcının tepkisi sabit stratejisinden hesaplanabilir. Sonuç olarak, hareket sırasını ihlal etmeden, istenen sonucu veren yolu seçebiliriz.
Önce \(P_1=A_0\) bildirimini belirleyelim. Avcının stratejisine göre verdiği tepki \(B_1\) olsun ve \[ A_1=2A_0-B_1 \] seçelim. \(A_0=B_0\) ve \(B_0B_1=1\) olduğundan, hem tavşanın ilk hareketinin hem de takip hatasının uzunluğu \(1\) olurken, \[ A_1B_1=2 \] olur.
Şimdi, tavşan ile avcı arasındaki \(d\) uzaklığı \[ 1\le d\le100, \] koşulunu sağladığında, sonraki \(200\) turu yeni uzaklıkları \(d'\) için \[ (d')^2>d^2+\frac12 \] olacak şekilde düzenleyebileceğimizi kanıtlayacağız.
Koordinatları avcının mevcut konumu \((0,0)\) ve tavşanın mevcut konumu \((d,0)\) olacak şekilde seçelim. \[ L=\sqrt{200^2-1} \] alalım. \(\varepsilon\in\{-1,1\}\) ile indekslenen şu iki olası tavşan yolunu ele alalım: \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] Tavşanın her hareketinin uzunluğu \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1 \] olur. \(j\)'nci tur için bildirimi \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right) \] olarak belirleyelim. Bu bildirimler her iki yol için de geçerlidir, çünkü \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
Avcının bu \(200\) tur sonundaki konumu \((x,y)\) olsun. Bu konum her iki tavşan yolu için de aynıdır. Avcı, uzunluğu \(1\) olan \(200\) hareket yaptığı için yer değiştirmesinin uzunluğu en fazla \(200\)'dür ve dolayısıyla \(x\le200\) olur.
Son düşey koordinatı olan \(1\) veya \(-1\)'den hangisi \(y\)'ye daha uzaksa, tavşan için o yolu seçelim. Bu durumda düşey uzaklık \(1+|y|\ge1\) olur. \[ \delta=200-L=\frac1{200+L} \] olarak tanımlayalım. \(0<\delta<1\) olur. Böylece yatay uzaklık \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0 \] eşitsizliğini sağlar. Buradan \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1 \] çıkar. \(L^2=200^2-1\) özdeşliği \[ 1+\delta^2=400\delta \] verir. Dolayısıyla \(d\le100\) kullanılarak, \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12 \end{aligned} \] elde edilir. Böylece öne sürülen kurgu kanıtlanmış olur.
İlk tur sonundaki \(2\) uzaklığından başlayarak, bir blok sonunda uzaklık \(100\)'den büyük oluncaya kadar bu kurguyu art arda \(200\) turluk bloklarda uygulayalım. Böyle bir blok ilk \(20\,000\) blok arasında bulunmak zorundadır: aksi takdirde, bu bloklardan sonra uzaklığın karesi \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] değerini aşardı; bu bir çelişkidir. Böylece uzaklık en fazla \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] tur sonra \(100\)'ü aşar.
Kalan her turda tavşan, avcının mevcut konumundan doğrudan uzaklaşacak şekilde bir birim hareket eder ve cihaz tavşanın gerçek yeni konumunu bildirir. Böyle bir turdan önce uzaklık \(r>100\) ise tavşanın yeni konumu avcının eski konumundan \(r+1\) uzaklıktadır. Üçgen eşitsizliğine göre avcının birim hareketinden sonra aralarındaki uzaklık en az \[ (r+1)-1=r \] olur. Bu nedenle uzaklık \(10^9\)'uncu tur da dâhil olmak üzere \(100\)'den büyük kalır.
Bu kurgu avcının her sabit stratejisini başarısız kıldığından, avcı istenen uzaklığı garanti edemez.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2017 · Problema 3
Un conejo invisible y un cazador juegan como sigue en el plano euclídeo. El punto de partida \(A_0\) del conejo, y el punto de partida \(B_0\) del cazador son el mismo. Después de \(n-1\) rondas del juego, el conejo se encuentra en el punto \(A_{n-1}\) y el cazador se encuentra en el punto \(B_{n-1}\). En la \(n\)-ésima ronda del juego, ocurren tres hechos en el siguiente orden:
(i) El conejo se mueve de forma invisible a un punto \(A_n\) tal que la distancia entre \(A_{n-1}\) y \(A_n\) es exactamente 1.
(ii) Un dispositivo de rastreo reporta un punto \(P_n\) al cazador. La única información segura que da el dispositivo al cazador es que la distancia entre \(P_n\) y \(A_n\) es menor o igual que 1.
(iii) El cazador se mueve de forma visible a un punto \(B_n\) tal que la distancia entre \(B_{n-1}\) y \(B_n\) es exactamente 1.
¿Es siempre posible que, cualquiera que sea la manera en que se mueva el conejo y cualesquiera que sean los puntos que reporte el dispositivo de rastreo, el cazador pueda escoger sus movimientos de modo que después de \(10^9\) rondas el cazador pueda garantizar que la distancia entre él mismo y el conejo sea menor o igual que 100?
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
No.
Solución
Fijemos una estrategia cualquiera del cazador. Construiremos movimientos y reportes válidos del conejo para los que esta estrategia falla.
Utilizaremos repetidamente dos posibles trayectorias del conejo que producen exactamente los mismos reportes. El cazador sigue la misma sucesión de movimientos para ambas trayectorias, de modo que su respuesta puede calcularse a partir de su estrategia fija antes de que se siga cualquiera de las trayectorias. En consecuencia, podemos seleccionar la trayectoria que produzca el resultado deseado sin infringir el orden de los movimientos.
En primer lugar, prescribamos \(P_1=A_0\). Sea \(B_1\) la respuesta del cazador según su estrategia, y elijamos \[ A_1=2A_0-B_1. \] Como \(A_0=B_0\) y \(B_0B_1=1\), tanto el primer movimiento del conejo como el error de rastreo tienen longitud \(1\), mientras que \[ A_1B_1=2. \]
Ahora demostramos que, siempre que la distancia \(d\) entre el conejo y el cazador satisfaga \[ 1\le d\le100, \] podemos organizar las siguientes \(200\) rondas de modo que su nueva distancia \(d'\) satisfaga \[ (d')^2>d^2+\frac12. \]
Elijamos coordenadas en las que la posición actual del cazador sea \((0,0)\) y la posición actual del conejo sea \((d,0)\). Pongamos \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] Consideremos las siguientes dos posibles trayectorias del conejo, indexadas por \(\varepsilon\in\{-1,1\}\): \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] Cada movimiento del conejo tiene longitud \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] Para la ronda \(j\), prescribamos el reporte \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right). \] Estos reportes son válidos para ambas trayectorias, porque \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
Sea \((x,y)\) la posición del cazador después de estas \(200\) rondas. Es la misma para ambas trayectorias del conejo. Como ha realizado \(200\) movimientos de longitud \(1\), su desplazamiento tiene longitud a lo sumo \(200\), y por tanto \(x\le200\).
Elijamos la trayectoria del conejo cuya coordenada vertical final, ya sea \(1\) o \(-1\), esté más lejos de \(y\). La separación vertical es entonces \(1+|y|\ge1\). Definamos \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] Tenemos \(0<\delta<1\). Así, la separación horizontal satisface \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] Se sigue que \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] La identidad \(L^2=200^2-1\) da \[ 1+\delta^2=400\delta. \] Por tanto, utilizando \(d\le100\), \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] Esto demuestra la construcción afirmada.
Partiendo de la distancia \(2\) después de la primera ronda, apliquemos esta construcción en bloques sucesivos de \(200\) rondas hasta que un bloque termine con una distancia mayor que \(100\). Tal bloque debe aparecer entre los primeros \(20\,000\) bloques: de lo contrario, el cuadrado de la distancia después de esos bloques superaría \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] una contradicción. Así pues, la distancia supera \(100\) después de a lo sumo \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] rondas.
En cada una de las rondas restantes, el conejo se mueve una unidad alejándose directamente de la posición actual del cazador, y el dispositivo reporta la nueva posición real del conejo. Si la distancia antes de una de estas rondas es \(r>100\), la nueva posición del conejo está a distancia \(r+1\) de la antigua posición del cazador. Por la desigualdad triangular, después del movimiento unitario del cazador, la distancia entre ambos es al menos \[ (r+1)-1=r. \] Por tanto, la distancia se mantiene mayor que \(100\) hasta la ronda \(10^9\), inclusive.
Como esta construcción derrota a cualquier estrategia fija del cazador, este no puede garantizar la distancia requerida.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2017 · 问题 3
一个猎人和一只隐形的兔子在欧氏平面上玩一个游戏。已知兔子的起始位置 \(A_0\) 和猎人的起始位置 \(B_0\) 重合。在游戏进行 \(n-1\) 回合之后,兔子位于点 \(A_{n-1}\),而猎人位于点 \(B_{n-1}\)。在第 \(n\) 个回合中,以下三件事情依次发生。
(i) 兔子以隐形的方式移动到一点 \(A_n\),使得点 \(A_{n-1}\) 和点 \(A_n\) 之间的距离恰为 \(1\)。
(ii) 一个定位设备向猎人反馈一个点 \(P_n\)。这个设备唯一能够向猎人保证的事情是,点 \(P_n\) 和点 \(A_n\) 之间的距离至多为 \(1\)。
(iii) 猎人以可见的方式移动到一点 \(B_n\),使得点 \(B_{n-1}\) 和 \(B_n\) 之间的距离恰为 \(1\)。
试问,是否无论兔子如何移动,也无论定位设备反馈了哪些点,猎人总能够适当地选择她的移动方式,使得在 \(10^9\) 回合之后,她能够确保和兔子之间的距离至多是 \(100\)?
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
不能。
解答
任意固定猎人的一种策略。我们将构造符合规则的兔子移动和定位反馈,使这一策略失败。
我们将反复使用两条产生完全相同反馈的可能的兔子路径。对于这两条路径,猎人都采取相同的移动序列,因此在兔子沿其中任一条路径移动之前,就可以根据猎人的固定策略算出她的应对。因此,我们可以选取其中能达到所需结果的路径,而不违反移动顺序。
首先,指定 \(P_1=A_0\)。设 \(B_1\) 为猎人按其策略作出的应对位置,并选取 \[ A_1=2A_0-B_1. \] 由于 \(A_0=B_0\) 且 \(B_0B_1=1\),兔子的第一次移动和定位误差的长度都为 \(1\),而 \[ A_1B_1=2. \]
现在证明,只要兔子与猎人之间的距离 \(d\) 满足 \[ 1\le d\le100, \] 我们就能安排接下来的 \(200\) 个回合,使它们之间的新距离 \(d'\) 满足 \[ (d')^2>d^2+\frac12. \]
选取坐标系,使猎人的当前位置为 \((0,0)\),兔子的当前位置为 \((d,0)\)。令 \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] 考虑以下两条可能的兔子路径,以 \(\varepsilon\in\{-1,1\}\) 为指标: \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] 兔子每次移动的长度都是 \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] 在第 \(j\) 个回合,指定反馈为 \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right). \] 这些反馈对任一条路径都符合规则,因为 \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
设猎人在这 \(200\) 个回合后的位置为 \((x,y)\)。对于兔子的两条路径,这一位置相同。由于她进行了 \(200\) 次长度为 \(1\) 的移动,她的位移长度至多为 \(200\),所以 \(x\le200\)。
选取兔子的路径,使其终点的纵坐标(\(1\) 或 \(-1\))为离 \(y\) 较远的那个。于是竖直方向的距离为 \(1+|y|\ge1\)。定义 \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] 有 \(0<\delta<1\)。因此水平方向的距离满足 \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] 从而 \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] 由恒等式 \(L^2=200^2-1\) 得到 \[ 1+\delta^2=400\delta. \] 因此,利用 \(d\le100\), \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] 这就证明了所声称的构造。
从第一回合后的距离 \(2\) 开始,以每 \(200\) 个回合为一组连续应用这一构造,直到某一组结束时距离大于 \(100\)。这样的组必定出现在前 \(20\,000\) 组之内:否则,这些组结束后的距离平方将超过 \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] 矛盾。因此,至多经过 \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] 个回合,距离就会超过 \(100\)。
在余下的每个回合中,兔子都沿着直接远离猎人当前位置的方向移动一个单位,定位设备则反馈兔子实际的新位置。若某一回合开始前的距离为 \(r>100\),则兔子的新位置与猎人的原位置之间的距离为 \(r+1\)。由三角不等式,猎人移动一个单位后,它们之间的距离至少为 \[ (r+1)-1=r. \] 所以直到第 \(10^9\) 个回合,距离始终大于 \(100\)。
由于这一构造能使猎人的每一种固定策略失败,猎人无法确保达到所要求的距离。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2017 · Задача 3
Охотник и невидимый кролик играют в следующую игру на плоскости. Стартовая точка \(A_0\) кролика и стартовая точка \(B_0\) охотника совпадают. Пусть после \(n-1\) раунда игры кролик находится в точке \(A_{n-1}\), а охотник – в точке \(B_{n-1}\). Тогда в \(n\)-ом раунде игры последовательно выполняются следующие три действия:
(i) Кролик, оставаясь невидимым, перемещается в точку \(A_n\) такую, что расстояние между \(A_{n-1}\) и \(A_n\) в точности равно 1.
(ii) Следящее устройство сообщает охотнику некоторую точку \(P_n\). При этом следящее устройство гарантирует только то, что расстояние между точками \(P_n\) и \(A_n\) не больше 1.
(iii) Охотник, оставаясь видимым, перемещается в точку \(B_n\) такую, что расстояние между \(B_{n-1}\) и \(B_n\) в точности равно 1.
Всегда ли возможно охотнику, при любых перемещениях кролика и любых сообщаемых следящим устройством точках, выбирать свои перемещения так, чтобы после \(10^9\) раундов он мог гарантировать, что расстояние между ним и кроликом не больше 100?
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Нет.
Решение
Зафиксируем произвольную стратегию охотника. Мы построим допустимые перемещения кролика и сообщения устройства, при которых эта стратегия не достигает цели.
Мы будем неоднократно использовать две возможные траектории кролика, которым соответствуют в точности одинаковые сообщения устройства. Для обеих траекторий охотник совершает одну и ту же последовательность ходов, поэтому его ответные действия можно вычислить по его фиксированной стратегии ещё до того, как кролик начнёт двигаться по какой-либо из траекторий. Следовательно, мы можем выбрать ту траекторию, которая даёт нужный результат, не нарушая порядка ходов.
Сначала зададим \(P_1=A_0\). Пусть \(B_1\) — ответный ход охотника согласно его стратегии, и выберем \[ A_1=2A_0-B_1. \] Поскольку \(A_0=B_0\) и \(B_0B_1=1\), длина первого хода кролика и ошибка слежения обе равны \(1\), при этом \[ A_1B_1=2. \]
Теперь докажем, что всякий раз, когда расстояние \(d\) между кроликом и охотником удовлетворяет условию \[ 1\le d\le100, \] мы можем организовать следующие \(200\) раундов так, чтобы новое расстояние \(d'\) между ними удовлетворяло неравенству \[ (d')^2>d^2+\frac12. \]
Выберем систему координат, в которой текущее положение охотника — \((0,0)\), а текущее положение кролика — \((d,0)\). Положим \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] Рассмотрим следующие две возможные траектории кролика, соответствующие \(\varepsilon\in\{-1,1\}\): \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] Каждый ход кролика имеет длину \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] В раунде \(j\) зададим сообщение \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right). \] Эти сообщения допустимы для обеих траекторий, поскольку \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
Пусть после этих \(200\) раундов охотник находится в точке \((x,y)\). Эта точка одинакова для обеих траекторий кролика. Поскольку охотник совершил \(200\) ходов длины \(1\), длина его перемещения не превосходит \(200\), а значит, \(x\le200\).
Выберем ту траекторию кролика, у которой конечная вертикальная координата, равная \(1\) или \(-1\), дальше от \(y\). Тогда расстояние по вертикали равно \(1+|y|\ge1\). Определим \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] Имеем \(0<\delta<1\). Поэтому расстояние по горизонтали удовлетворяет неравенству \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] Отсюда следует \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] Из тождества \(L^2=200^2-1\) получаем \[ 1+\delta^2=400\delta. \] Поэтому, используя \(d\le100\), имеем \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] Тем самым требуемое построение обосновано.
Начиная с расстояния \(2\) после первого раунда, применяем это построение последовательными блоками по \(200\) раундов, пока в конце одного из блоков расстояние не станет больше \(100\). Такой блок обязательно встретится среди первых \(20\,000\) блоков: иначе квадрат расстояния после этих блоков был бы больше \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] что даёт противоречие. Таким образом, расстояние становится больше \(100\) не позднее чем через \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] раундов.
В каждом оставшемся раунде кролик перемещается на единицу прямо от текущего положения охотника, а устройство сообщает истинное новое положение кролика. Если перед таким раундом расстояние равно \(r>100\), то новое положение кролика находится на расстоянии \(r+1\) от прежнего положения охотника. По неравенству треугольника после единичного хода охотника расстояние между ними не меньше \[ (r+1)-1=r. \] Следовательно, расстояние остаётся больше \(100\) вплоть до раунда \(10^9\) включительно.
Поскольку это построение делает безуспешной любую фиксированную стратегию охотника, охотник не может гарантировать требуемое расстояние.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2017 · المسألة 3
لدينا صياد و أرنب غير مرئي يلعبان لعبة في المستوى الأقليدي. نقطة بداية الأرنب هي \(A_0\)، وهي نفس نقطة بداية الصياد \(B_0\). بعد \(n-1\) من الجولات موقع الأرنب عند النقطة \(A_{n-1}\) وموقع الصياد عند النقطة \(B_{n-1}\). في الجولة \(n\) من اللعبة تحدث الأمور التالية على الترتيب:
(i) يتحرك الأرنب بصورة غير مرئية إلى النقطة \(A_n\)، بحيث أن المسافة بين \(A_{n-1}\) و \(A_n\) تساوي \(1\) بالضبط.
(ii) جهاز المراقبة لدى الصياد لا يضمن له إلا أن يخبره عن نقطة \(P_n\)، بحيث أن المسافة بين \(P_n\) و \(A_n\) هي على الأكثر \(1\).
(iii) يتحرك الصياد بصورة مرئية إلى النقطة \(B_n\)، بحيث أن المسافة بين \(B_{n-1}\) و \(B_n\) تساوي \(1\) بالضبط.
بغض النظر عن كيفية حركة الأرنب وأياً كانت النقط التي يرصدها جهاز المتابعة عند الصياد، هل يستطيع الصياد اختيار حركاته بحيث بعد \(10^9\) من الجولات يمكنه التأكد بأن المسافة بينه و بين الأرنب هي على الأكثر \(100\)؟
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
لا.
الحل
نثبت أي استراتيجية للصياد. سننشئ حركات مسموحًا بها للأرنب وتقارير مسموحًا بها يفشل معها تطبيق هذه الاستراتيجية.
سنستخدم مرارًا مسارين ممكنين للأرنب ينتجان التقارير نفسها تمامًا. يتبع الصياد تسلسل الحركات نفسه لكلا المسارين، ولذلك يمكن حساب استجابته من استراتيجيته الثابتة قبل سلوك أي من المسارين. ومن ثم يمكننا اختيار أي المسارين يحقق النتيجة المطلوبة دون الإخلال بترتيب الحركات.
أولًا، نحدد \(P_1=A_0\). ليكن \(B_1\) استجابة الصياد وفقًا لاستراتيجيته، ونختار \[ A_1=2A_0-B_1. \] بما أن \(A_0=B_0\) و \(B_0B_1=1\)، فإن طول كل من حركة الأرنب الأولى وخطأ التتبع يساوي \(1\)، في حين أن \[ A_1B_1=2. \]
نثبت الآن أنه كلما حققت المسافة \(d\) بين الأرنب والصياد \[ 1\le d\le100, \] أمكننا ترتيب الجولات الـ \(200\) التالية بحيث تحقق المسافة الجديدة بينهما \(d'\) \[ (d')^2>d^2+\frac12. \]
نختار إحداثيات يكون فيها موضع الصياد الحالي عند \((0,0)\) وموضع الأرنب الحالي عند \((d,0)\). نضع \[ L=\sqrt{200^2-1}. \] ننظر في المسارين الممكنين التاليين للأرنب، المفهرسين بـ \(\varepsilon\in\{-1,1\}\): \[ A_j^\varepsilon =\left(d+\frac{jL}{200},\,\frac{\varepsilon j}{200}\right), \qquad j=0,1,\ldots,200. \] طول كل حركة للأرنب هو \[ \sqrt{\left(\frac L{200}\right)^2+\left(\frac1{200}\right)^2}=1. \] في الجولة \(j\)، نحدد التقرير \[ P_j=\left(d+\frac{jL}{200},\,0\right). \] هذه التقارير صالحة لكلا المسارين، لأن \[ |P_j-A_j^\varepsilon|=\frac j{200}\le1. \]
ليكن موضع الصياد بعد هذه الجولات الـ \(200\) هو \((x,y)\). وهو الموضع نفسه لكلا مساري الأرنب. وبما أنه قام بـ \(200\) حركة طول كل منها \(1\)، فإن طول إزاحته لا يتجاوز \(200\)، ومن ثم \(x\le200\).
نختار مسار الأرنب الذي يكون إحداثيه الرأسي النهائي، وهو إما \(1\) أو \(-1\)، أبعد عن \(y\). عندئذ يكون البعد الرأسي بينهما \(1+|y|\ge1\). نعرّف \[ \delta=200-L=\frac1{200+L}. \] لدينا \(0<\delta<1\). إذن يحقق البعد الأفقي \[ d+L-x\ge d+L-200=d-\delta>0. \] ويترتب على ذلك أن \[ (d')^2\ge(d-\delta)^2+1. \] تعطينا المتطابقة \(L^2=200^2-1\) \[ 1+\delta^2=400\delta. \] لذلك، باستخدام \(d\le100\)، \[ \begin{aligned} (d')^2-d^2 &\ge1-2d\delta+\delta^2\\ &=(400-2d)\delta\\ &\ge200\delta\\ &=\frac{200}{200+L} >\frac12. \end{aligned} \] وهذا يثبت الإنشاء المدّعى.
انطلاقًا من المسافة \(2\) بعد الجولة الأولى، نطبق هذا الإنشاء في مجموعات متتالية من \(200\) جولة حتى تنتهي إحدى المجموعات بمسافة أكبر من \(100\). لا بد أن تحدث مثل هذه المجموعة ضمن أول \(20\,000\) مجموعة: وإلا فإن مربع المسافة بعد تلك المجموعات سيتجاوز \[ 2^2+20\,000\cdot\frac12=10\,004>100^2, \] وهذا تناقض. إذن تتجاوز المسافة \(100\) بعد عدد من الجولات لا يزيد على \[ 1+20\,000\cdot200=4\,000\,001<10^9 \] جولة.
في كل جولة متبقية، يتحرك الأرنب وحدة واحدة مبتعدًا مباشرة عن موضع الصياد الحالي، ويبلغ الجهاز عن موضع الأرنب الجديد الفعلي. إذا كانت المسافة قبل مثل هذه الجولة هي \(r>100\)، فإن موضع الأرنب الجديد يبعد مسافة \(r+1\) عن موضع الصياد القديم. وبمتباينة المثلث، بعد حركة الصياد التي طولها وحدة واحدة، تكون المسافة بينهما على الأقل \[ (r+1)-1=r. \] ومن ثم تظل المسافة أكبر من \(100\) حتى الجولة \(10^9\) بما فيها هذه الجولة.
بما أن هذا الإنشاء يُفشل كل استراتيجية ثابتة للصياد، فلا يستطيع الصياد ضمان المسافة المطلوبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.