IMO 2017 · Problem 5
An integer \(N \geqslant 2\) is given. A collection of \(N(N + 1)\) soccer players, no two of whom are of the same height, stand in a row. Sir Alex wants to remove \(N(N - 1)\) players from this row leaving a new row of \(2N\) players in which the following \(N\) conditions hold:
(1) no one stands between the two tallest players,
(2) no one stands between the third and fourth tallest players,
\[ \vdots \]
\((N)\) no one stands between the two shortest players.
Show that this is always possible.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Divide the original row into \(N\) consecutive blocks of \(N+1\) players each. We will select two players from each block, ensuring that both players in each selected pair are taller than every player in all subsequently selected pairs.
Use the following procedure. At a stage when \(r\) blocks remain, we maintain the condition that each remaining block contains at least \(r+1\) players. This holds initially, with \(r=N\).
In each remaining block, identify its second tallest player. Choose the block whose second tallest player is tallest among these \(r\) players, and let that player's height be \(h\). Permanently select the two tallest players of this block, and discard its other players. This block now leaves the procedure.
From every other remaining block, discard all players taller than \(h\). Each such block loses at most one player: its second tallest player is shorter than \(h\), by our choice of the selected block and the distinctness of all heights. Consequently, each of the \(r-1\) remaining blocks still contains at least \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] players. Thus the condition needed for the next stage is preserved. Moreover, every player remaining in these blocks is shorter than both players just selected.
The procedure therefore continues until all \(N\) blocks have supplied a pair, including the last stage \(r=1\), when the remaining block has at least two players.
Keep precisely these \(2N\) selected players. By construction, the first selected pair consists of the two tallest retained players, the second selected pair consists of the third and fourth tallest, and so on.
Finally, the two retained players from any original block are adjacent in the final row: every original player between them belongs to that same consecutive block, and all its other players have been discarded. Hence every required pair is adjacent.
The number of removed players is exactly \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] as required.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2017 · Aufgabe 5
Gegeben sei eine ganze Zahl \(N\geq2\). Eine Gruppe von \(N(N+1)\) Fußballspielern, von denen keine zwei gleich groß sind, steht in einer Reihe. Pelé möchte \(N(N-1)\) Spieler so aus dieser Reihe entfernen, dass eine neue Reihe von \(2N\) Spielern verbleibt, in der die folgenden \(N\) Bedingungen gelten:
(1) Niemand steht zwischen den beiden größten Spielern.
(2) Niemand steht zwischen dem drittgrößten und dem viertgrößten Spieler.
\[ \vdots \]
\((N)\) Niemand steht zwischen den beiden kleinsten Spielern.
Man zeige, dass dies immer möglich ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir teilen die ursprüngliche Reihe in \(N\) aufeinanderfolgende Blöcke mit jeweils \(N+1\) Spielern ein. Wir wählen aus jedem Block zwei Spieler aus und stellen dabei sicher, dass beide Spieler jedes ausgewählten Paares größer sind als jeder Spieler aller später ausgewählten Paare.
Wir verwenden das folgende Verfahren. In einem Schritt, in dem noch \(r\) Blöcke übrig sind, halten wir die Bedingung aufrecht, dass jeder verbleibende Block mindestens \(r+1\) Spieler enthält. Zu Beginn gilt dies mit \(r=N\).
In jedem verbleibenden Block bestimmen wir den zweitgrößten Spieler. Wir wählen denjenigen Block, dessen zweitgrößter Spieler unter diesen \(r\) Spielern der größte ist, und bezeichnen die Größe dieses Spielers mit \(h\). Die beiden größten Spieler dieses Blocks wählen wir endgültig aus und entfernen seine übrigen Spieler. Dieser Block scheidet nun aus dem Verfahren aus.
Aus jedem anderen verbleibenden Block entfernen wir alle Spieler, die größer als \(h\) sind. Jeder solche Block verliert höchstens einen Spieler: Sein zweitgrößter Spieler ist aufgrund unserer Wahl des ausgewählten Blocks und der Verschiedenheit aller Körpergrößen kleiner als \(h\). Folglich enthält jeder der \(r-1\) verbleibenden Blöcke weiterhin mindestens \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] Spieler. Damit bleibt die für den nächsten Schritt benötigte Bedingung erhalten. Außerdem ist jeder in diesen Blöcken verbleibende Spieler kleiner als beide soeben ausgewählten Spieler.
Das Verfahren lässt sich daher fortsetzen, bis alle \(N\) Blöcke ein Paar geliefert haben, einschließlich des letzten Schritts \(r=1\), in dem der verbleibende Block mindestens zwei Spieler enthält.
Wir behalten genau diese \(2N\) ausgewählten Spieler. Nach Konstruktion besteht das zuerst ausgewählte Paar aus den beiden größten verbliebenen Spielern, das zweite ausgewählte Paar aus dem drittgrößten und dem viertgrößten, und so weiter.
Schließlich stehen die beiden verbliebenen Spieler eines jeden ursprünglichen Blocks in der endgültigen Reihe nebeneinander: Jeder ursprünglich zwischen ihnen stehende Spieler gehört zu demselben zusammenhängenden Block, und alle dessen übrigen Spieler wurden entfernt. Damit steht jedes geforderte Paar nebeneinander.
Die Anzahl der entfernten Spieler beträgt genau \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] wie gefordert.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2017 · Soru 5
\(N\geq 2\) verilmiş bir tam sayı olsun. Herhangi ikisinin boyları birbirinden farklı olan \(N(N+1)\) futbolcu bir şekilde yan yana sıraya dizilmiştir. Takımın antrenörü bu sıradan \(N(N-1)\) futbolcuyu öyle çıkarmak istiyor ki geriye kalan \(2N\) futbolcudan oluşan yeni sıra aşağıdaki \(N\) adet şartı sağlasın:
(1) En uzun futbolcu ile ikinci en uzun futbolcu arasında kimse olmayacak,
(2) Üçüncü en uzun futbolcu ile dördüncü en uzun futbolcu arasında kimse olmayacak,
\[ \vdots \]
\((N)\) İkinci en kısa futbolcu ile en kısa futbolcu arasında kimse olmayacak.
Antrenörün bunu her zaman yapabileceğini gösteriniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Başlangıçtaki sırayı, her biri art arda duran \(N+1\) futbolcudan oluşan \(N\) bloğa ayıralım. Her bloktan iki futbolcu seçeceğiz ve seçilen her çiftteki iki futbolcunun da daha sonra seçilen tüm çiftlerdeki her futbolcudan uzun olmasını sağlayacağız.
Şu yöntemi kullanalım. \(r\) bloğun kaldığı bir aşamada, kalan her bloğun en az \(r+1\) futbolcu içermesi koşulunu koruyacağız. Başlangıçta \(r=N\) için bu koşul sağlanır.
Kalan her bloğun ikinci en uzun futbolcusunu belirleyelim. İkinci en uzun futbolcusu bu \(r\) futbolcu arasında en uzun olan bloğu seçelim ve bu futbolcunun boyu \(h\) olsun. Bu bloğun en uzun iki futbolcusunu kalıcı olarak seçelim ve diğer futbolcularını çıkaralım. Bu blok artık işlemden çıkar.
Kalan diğer her bloktan boyu \(h\)'den uzun olan tüm futbolcuları çıkaralım. Böyle her blok en fazla bir futbolcu kaybeder: seçilen bloğu belirleme biçimimiz ve tüm boyların farklı olması nedeniyle, bu bloğun ikinci en uzun futbolcusu \(h\)'den kısadır. Dolayısıyla kalan \(r-1\) bloğun her biri hâlâ en az \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] futbolcu içerir. Böylece bir sonraki aşama için gereken koşul korunur. Ayrıca bu bloklarda kalan her futbolcu, az önce seçilen iki futbolcudan da kısadır.
Dolayısıyla yöntem, kalan bloğun en az iki futbolcu içerdiği son aşama \(r=1\) de dâhil olmak üzere, \(N\) bloğun tümünden birer çift seçilinceye kadar devam eder.
Tam olarak bu seçilmiş \(2N\) futbolcuyu tutalım. Kurgu gereği ilk seçilen çift, tutulan futbolcuların en uzun ikilisinden; ikinci seçilen çift, üçüncü ve dördüncü en uzun futbolculardan oluşur ve bu şekilde devam eder.
Son olarak, başlangıçtaki herhangi bir bloktan tutulan iki futbolcu son sırada yan yanadır: başlangıçta aralarında bulunan her futbolcu aynı ardışık bloğa aittir ve bu bloğun diğer tüm futbolcuları çıkarılmıştır. Dolayısıyla istenen her çift yan yanadır.
Çıkarılan futbolcu sayısı, istendiği gibi, tam olarak \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2017 · Problema 5
Sea \(N\geq2\) un entero dado. Los \(N(N+1)\) jugadores de un grupo de futbolistas, todos de distinta estatura, se colocan en fila. El técnico desea quitar \(N(N-1)\) jugadores de esta fila, de modo que la fila resultante formada por los \(2N\) jugadores restantes satisfaga las \(N\) condiciones siguientes:
(1) Que no quede nadie ubicado entre los dos jugadores más altos.
(2) Que no quede nadie ubicado entre el tercer jugador más alto y el cuarto jugador más alto.
\[ \vdots \]
\((N)\) Que no quede nadie ubicado entre los dos jugadores de menor estatura.
Demostrar que esto siempre es posible.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Dividamos la fila original en \(N\) bloques consecutivos de \(N+1\) jugadores cada uno. Seleccionaremos dos jugadores de cada bloque, asegurándonos de que ambos jugadores de cada pareja seleccionada sean más altos que todos los jugadores de todas las parejas seleccionadas posteriormente.
Utilicemos el siguiente procedimiento. En una etapa en la que quedan \(r\) bloques, mantenemos la condición de que cada bloque restante contenga al menos \(r+1\) jugadores. Esto se cumple inicialmente, con \(r=N\).
En cada bloque restante, identifiquemos al segundo jugador más alto. Elijamos el bloque cuyo segundo jugador más alto sea el más alto de entre estos \(r\) jugadores, y sea \(h\) la estatura de ese jugador. Seleccionemos de forma definitiva a los dos jugadores más altos de este bloque y descartemos a sus otros jugadores. Este bloque deja ahora de participar en el procedimiento.
De cada uno de los demás bloques restantes, descartemos a todos los jugadores de estatura mayor que \(h\). Cada uno de estos bloques pierde a lo sumo un jugador: su segundo jugador más alto tiene estatura menor que \(h\), por nuestra elección del bloque seleccionado y porque todas las estaturas son distintas. En consecuencia, cada uno de los \(r-1\) bloques restantes sigue conteniendo al menos \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] jugadores. Así se conserva la condición necesaria para la siguiente etapa. Además, todos los jugadores que quedan en estos bloques son más bajos que ambos jugadores que acabamos de seleccionar.
Por tanto, el procedimiento continúa hasta que cada uno de los \(N\) bloques ha proporcionado una pareja, incluida la última etapa \(r=1\), en la que el bloque restante tiene al menos dos jugadores.
Conservemos exactamente estos \(2N\) jugadores seleccionados. Por construcción, la primera pareja seleccionada está formada por los dos jugadores más altos de los que se conservan, la segunda pareja seleccionada está formada por el tercero y el cuarto más altos, y así sucesivamente.
Por último, los dos jugadores conservados de cualquier bloque original son adyacentes en la fila final: todos los jugadores originales situados entre ellos pertenecen a ese mismo bloque consecutivo, y todos sus otros jugadores han sido descartados. Por consiguiente, los integrantes de cada pareja requerida son adyacentes.
El número de jugadores eliminados es exactamente \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] como se requería.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2017 · 问题 5
给定整数 \(N\geq2\),\(N(N+1)\) 个身高两两不同的足球队员站成一排。球队教练希望从这些球员中移走 \(N(N-1)\) 人,使得这一排上剩下的 \(2N\) 名球员满足如下 \(N\) 个条件:
(1) 他们当中身高最高的两名球员之间没有别的球员,
(2) 他们当中身高第三和第四的两名球员之间没有别的球员,
\[ \vdots \]
\((N)\) 他们当中身高最矮的两名球员之间没有别的球员。
证明,这总是可以做到的。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
将原来的一排球员分成 \(N\) 个连续的区段,每个区段有 \(N+1\) 名球员。我们将从每个区段中选出两名球员,并保证每一对被选中的球员都比之后选出的所有各对中的每一名球员高。
采用以下过程。在还剩 \(r\) 个区段的某个阶段,我们保持如下条件:每个剩余区段中至少有 \(r+1\) 名球员。初始时 \(r=N\),该条件成立。
在每个剩余区段中,找出身高第二高的球员。在这 \(r\) 名球员中选出最高的一名,选择他所在的区段,并设他的身高为 \(h\)。将这个区段中最高的两名球员确定为最终保留的球员,并移除其中的其他球员。这个区段随后退出这一过程。
从其他每个剩余区段中,移除所有身高大于 \(h\) 的球员。每个这样的区段至多失去一名球员:根据所选区段的选取方式以及所有球员的身高互不相同,其中第二高的球员比 \(h\) 矮。因此,剩下的 \(r-1\) 个区段中,每个仍然至少有 \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] 名球员。这样,下一阶段所需的条件得以保持。此外,这些区段中留下的每一名球员都比刚刚选出的两名球员矮。
因此,这一过程可以持续进行,直到所有 \(N\) 个区段都各选出一对球员,包括最后 \(r=1\) 的阶段,此时剩余区段中至少有两名球员。
恰好保留选出的这 \(2N\) 名球员。根据构造,第一对选出的球员是保留球员中最高的两名,第二对选出的球员是身高第三和第四的两名,依此类推。
最后,来自任一原有区段的两名保留球员在最终的一排中相邻:原先位于他们之间的每一名球员都属于同一个连续区段,而该区段中的所有其他球员均已被移除。因此,每一对要求相邻的球员都相邻。
移除的球员人数恰好为 \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] 符合要求。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2017 · Задача 5
Дано целое число \(N\geq2\). Команда, состоящая из \(N(N+1)\) футболистов, любые два из которых разного роста, построена в ряд. Тренер хочет удалить из ряда \(N(N-1)\) игроков так, чтобы для оставшегося ряда из \(2N\) игроков выполнялись следующие \(N\) условий:
(1) никто не стоит между двумя самыми высокими игроками,
(2) никто не стоит между третьим и четвертым по росту игроками,
\[ \vdots \]
\((N)\) никто не стоит между двумя самыми низкими игроками.
Докажите, что это всегда возможно.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Разобьём исходный ряд на \(N\) последовательных блоков по \(N+1\) игроков в каждом. Мы выберем по два игрока из каждого блока, обеспечив, чтобы оба игрока каждой выбранной пары были выше любого игрока из всех пар, выбранных впоследствии.
Воспользуемся следующей процедурой. На этапе, когда остаётся \(r\) блоков, будем поддерживать условие, что каждый оставшийся блок содержит не менее \(r+1\) игроков. Вначале, при \(r=N\), это условие выполнено.
В каждом оставшемся блоке найдём второго по росту игрока. Выберем блок, в котором второй по росту игрок — самый высокий среди этих \(r\) игроков, и обозначим рост этого игрока через \(h\). Окончательно выберем двух самых высоких игроков этого блока, а остальных его игроков удалим. Этот блок больше не участвует в процедуре.
Из каждого другого оставшегося блока удалим всех игроков, чей рост больше \(h\). Каждый такой блок теряет не более одного игрока: его второй по росту игрок ниже \(h\) в силу выбора блока и различия роста всех игроков. Следовательно, каждый из \(r-1\) оставшихся блоков по-прежнему содержит не менее \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] игроков. Таким образом, условие, необходимое для следующего этапа, сохраняется. Кроме того, каждый игрок, оставшийся в этих блоках, ниже обоих только что выбранных игроков.
Поэтому процедура продолжается до тех пор, пока из всех \(N\) блоков не будет выбрано по паре, включая последний этап \(r=1\), на котором в оставшемся блоке есть хотя бы два игрока.
Оставим ровно этих \(2N\) выбранных игроков. По построению первая выбранная пара состоит из двух самых высоких оставленных игроков, вторая выбранная пара — из третьего и четвёртого по росту, и так далее.
Наконец, два оставленных игрока из любого исходного блока стоят рядом в конечном ряду: каждый игрок, первоначально стоявший между ними, принадлежит тому же последовательному блоку, а все остальные игроки этого блока удалены. Следовательно, игроки каждой требуемой пары стоят рядом.
Число удалённых игроков равно в точности \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] что и требовалось.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2017 · المسألة 5
لدينا العدد الصحيح \(N\geq2\). توجد مجموعة تحوي \(N(N+1)\) من لاعبي كرة القدم بحيث أن أطوالهم مختلفة و يقفون في صف واحد. المدرب طارق يريد أن يستبعد \(N(N-1)\) من اللاعبين من هذا الصف بحيث يبقى \(2N\) منهم و يحققون شروطاً عددها \(N\) كما يلي:
(1) لا يوجد لاعب بين أطول لاعبين،
(2) لا يوجد لاعب بين اللاعبين الثالث طولاً و الرابع طولاً،
\[ \vdots \]
\((N)\) لا يوجد لاعب بين أقصر لاعبين.
بين أن طارق يستطيع أن ينجز هذا.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نقسم الصف الأصلي إلى \(N\) مجموعات متتالية، تضم كل منها \(N+1\) لاعبًا. سنختار لاعبين من كل مجموعة، مع ضمان أن يكون كلا اللاعبين في كل زوج مختار أطول من كل لاعب في جميع الأزواج التي تُختار لاحقًا.
نستخدم الإجراء التالي. في المرحلة التي يتبقى فيها \(r\) من المجموعات، نحافظ على شرط أن تضم كل مجموعة متبقية ما لا يقل عن \(r+1\) لاعبًا. وهذا متحقق في البداية، حيث \(r=N\).
في كل مجموعة متبقية، نحدد ثاني أطول لاعب فيها. نختار المجموعة التي يكون ثاني أطول لاعب فيها هو الأطول بين هؤلاء اللاعبين الـ \(r\)، وليكن طول ذلك اللاعب \(h\). نختار نهائيًا أطول لاعبين في هذه المجموعة، ونستبعد سائر لاعبيها. وتخرج هذه المجموعة الآن من الإجراء.
من كل مجموعة أخرى متبقية، نستبعد جميع اللاعبين الأطول من \(h\). تفقد كل مجموعة من هذه المجموعات لاعبًا واحدًا على الأكثر: فثاني أطول لاعب فيها أقصر من \(h\)، وفقًا لاختيارنا للمجموعة المختارة ولكون جميع الأطوال مختلفة. وبالتالي، تظل كل مجموعة من المجموعات الـ \(r-1\) المتبقية تضم ما لا يقل عن \[ (r+1)-1=r=(r-1)+1 \] لاعبًا. وهكذا يُحافَظ على الشرط اللازم للمرحلة التالية. علاوة على ذلك، فإن كل لاعب متبقٍ في هذه المجموعات أقصر من كلا اللاعبين اللذين اختيرا للتو.
لذلك يستمر الإجراء حتى تقدم كل مجموعة من المجموعات الـ \(N\) زوجًا من اللاعبين، بما في ذلك المرحلة الأخيرة \(r=1\)، حيث تضم المجموعة المتبقية لاعبين على الأقل.
نُبقي بالضبط على هؤلاء اللاعبين الـ \(2N\) المختارين. بحسب الإنشاء، يتكون أول زوج مختار من أطول لاعبين من بين اللاعبين الذين أُبقي عليهم، ويتكون ثاني زوج مختار من ثالثهم ورابعهم طولًا، وهكذا.
أخيرًا، فإن اللاعبين اللذين أُبقي عليهما من أي مجموعة أصلية متجاوران في الصف النهائي: فكل لاعب أصلي كان بينهما ينتمي إلى تلك المجموعة المتتالية نفسها، وقد استُبعد جميع لاعبيها الآخرين. ومن ثم يكون كل زوج مطلوب متجاورًا.
عدد اللاعبين المستبعدين هو بالضبط \[ N(N+1)-2N=N(N-1), \] كما هو مطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.