IMO 2018 · Problem 4
A site is any point \((x,y)\) in the plane such that \(x\) and \(y\) are both positive integers less than or equal to \(20\).
Initially, each of the \(400\) sites is unoccupied. Amy and Ben take turns placing stones with Amy going first. On her turn, Amy places a new red stone on an unoccupied site such that the distance between any two sites occupied by red stones is not equal to \(\sqrt{5}\). On his turn, Ben places a new blue stone on any unoccupied site. (A site occupied by a blue stone is allowed to be at any distance from any other occupied site.) They stop as soon as a player cannot place a stone.
Find the greatest \(K\) such that Amy can ensure that she places at least \(K\) red stones, no matter how Ben places his blue stones.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{K=100}. \]
Solution
We first show that Amy can guarantee \(100\) red stones.
Call a site \((x,y)\) white if \(x+y\) is even. There are exactly \(200\) white sites. Two sites at distance \(\sqrt5\) have coordinate differences whose absolute values are \(1\) and \(2\), so exactly one of them is white. Consequently, Amy may legally place all her stones on white sites.
Before Amy’s \(k\)-th turn, at most \(2(k-1)\) white sites have been occupied. For \(k\le100\), this is at most \(198\), so an unoccupied white site remains. Ben cannot run out of unoccupied sites during these turns either, since fewer than \(400\) sites are occupied. Thus Amy can place at least \(100\) red stones.
We now give Ben a strategy ensuring that Amy places at most \(100\) red stones.
Partition the board into \(25\) blocks of \(4\times4\) sites: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] Within each block, use local coordinates \((a,b)\), and partition its sites into the following four ordered quadruples: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] These lists contain each of the \(16\) local sites exactly once. In every quadruple, consecutive sites, including the last and first, have coordinate differences with absolute values \(1\) and \(2\). Hence consecutive sites are at distance \(\sqrt5\).
We have therefore partitioned the board into \(100\) quadruples, each arranged cyclically so that neighboring sites are at distance \(\sqrt5\). Call two sites opposite if they are two positions apart in their quadruple.
Ben’s strategy is this: whenever Amy places a red stone, he places a blue stone on the opposite site of the same quadruple.
To verify that this strategy always works, maintain the following property after each of Ben’s turns: every quadruple is either completely empty, or contains one red stone and a blue stone opposite it. In the latter case, both remaining sites are at distance \(\sqrt5\) from the red stone, so Amy cannot play there.
The property holds initially. If it holds before Amy’s next move, her move must be in an empty quadruple. Its opposite site is therefore unoccupied, so Ben’s prescribed response is legal and preserves the property.
Thus every red stone Amy places uses a previously empty quadruple, and she can never place a second red stone in that quadruple. There are only \(100\) quadruples, so Ben ensures that she places at most \(100\) red stones.
Combining the two strategies gives \(K=100\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2018 · Aufgabe 4
Ein Knoten ist ein Punkt \((x,y)\) in der Ebene, für den sowohl \(x\) als auch \(y\) positive ganze Zahlen kleiner oder gleich 20 sind.
Zunächst ist jeder der 400 Knoten unbesetzt. Amy und Ben legen abwechselnd Steine auf die Knoten, wobei Amy beginnt. In jedem Zug von Amy legt sie einen neuen roten Stein so auf einen unbesetzten Knoten, dass der Abstand zwischen je zwei von roten Steinen besetzten Knoten ungleich \(\sqrt{5}\) ist. In jedem Zug von Ben legt er einen neuen blauen Stein auf einen unbesetzten Knoten. (Ein Knoten, der von einem blauen Stein besetzt ist, darf einen beliebigen Abstand von jedem anderen besetzten Knoten haben.) Sie hören auf, sobald ein Spieler keinen Stein mehr legen kann.
Man bestimme das größte \(K\), so dass Amy sicher mindestens \(K\) rote Steine legen kann, unabhängig davon, wie Ben seine blauen Steine legt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{K=100}. \]
Lösung
Wir zeigen zunächst, dass Amy \(100\) rote Steine garantieren kann.
Wir nennen einen Knoten \((x,y)\) weiß, wenn \(x+y\) gerade ist. Es gibt genau \(200\) weiße Knoten. Bei zwei Knoten im Abstand \(\sqrt5\) haben die Koordinatendifferenzen die Absolutbeträge \(1\) und \(2\), also ist genau einer von ihnen weiß. Folglich darf Amy alle ihre Steine auf weiße Knoten legen.
Vor Amys \(k\)-tem Zug sind höchstens \(2(k-1)\) weiße Knoten besetzt. Für \(k\le100\) sind dies höchstens \(198\), also bleibt ein weißer Knoten unbesetzt. Auch Ben können während dieser Züge die unbesetzten Knoten nicht ausgehen, da weniger als \(400\) Knoten besetzt sind. Somit kann Amy mindestens \(100\) rote Steine legen.
Wir geben nun eine Strategie für Ben an, die sicherstellt, dass Amy höchstens \(100\) rote Steine legt.
Wir zerlegen das Spielfeld in \(25\) Blöcke aus jeweils \(4\times4\) Knoten: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] Innerhalb jedes Blocks verwenden wir lokale Koordinaten \((a,b)\) und zerlegen seine Knoten in die folgenden vier geordneten Quadrupel: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] Diese Listen enthalten jeden der \(16\) lokalen Knoten genau einmal. In jedem Quadrupel haben aufeinanderfolgende Knoten, einschließlich des letzten und des ersten, Koordinatendifferenzen mit den Absolutbeträgen \(1\) und \(2\). Daher haben aufeinanderfolgende Knoten den Abstand \(\sqrt5\).
Wir haben das Spielfeld somit in \(100\) Quadrupel zerlegt, die jeweils so zyklisch angeordnet sind, dass benachbarte Knoten den Abstand \(\sqrt5\) haben. Wir nennen zwei Knoten gegenüberliegend, wenn sie in ihrem Quadrupel zwei Positionen auseinanderliegen.
Bens Strategie lautet: Immer wenn Amy einen roten Stein legt, legt er einen blauen Stein auf den gegenüberliegenden Knoten desselben Quadrupels.
Um zu überprüfen, dass diese Strategie stets funktioniert, halten wir nach jedem Zug von Ben die folgende Eigenschaft aufrecht: Jedes Quadrupel ist entweder vollständig leer oder enthält einen roten Stein und einen ihm gegenüberliegenden blauen Stein. Im letzteren Fall haben die beiden verbleibenden Knoten jeweils den Abstand \(\sqrt5\) vom roten Stein, sodass Amy dort keinen Stein legen kann.
Die Eigenschaft gilt zu Beginn. Gilt sie vor Amys nächstem Zug, so muss sie ihren Stein in ein leeres Quadrupel legen. Der gegenüberliegende Knoten ist daher unbesetzt, sodass Bens vorgeschriebener Antwortzug zulässig ist und die Eigenschaft erhält.
Somit belegt jeder rote Stein, den Amy legt, ein zuvor leeres Quadrupel, und sie kann niemals einen zweiten roten Stein in dieses Quadrupel legen. Es gibt nur \(100\) Quadrupel, also stellt Ben sicher, dass sie höchstens \(100\) rote Steine legt.
Zusammen ergeben die beiden Strategien \(K=100\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2018 · Soru 4
Koordinat düzleminde, \(x\) ve \(y\) nin \(20\) den küçük veya eşit pozitif tam sayılar olduğu her \((x,y)\) noktasına yuva diyelim.
Başlangıçta, \(400\) yuvanın hiç biri taş içermiyor. İlk hamleyi Aslı yapmak üzere Aslı ve Burcu sırayla hamle yapıyorlar. Aslı her hamlesinde, taş içermeyen bir yuvaya yeni bir kırmızı taşı, kırmızı taş içeren herhangi iki yuvanın arasındaki uzaklık \(\sqrt{5}\) ten farklı olmak koşuluyla yerleştiriyor. Burcu her hamlesinde, taş içermeyen bir yuvaya yeni bir mavi taş yerleştiriyor. (Mavi taş içeren bir yuva ile diğer herhangi bir yuvanın arasındaki uzaklık ile ilgili herhangi bir koşul yoktur.) Sırası gelen kişi hamle yapamıyorsa, iki kişi de taş yerleştirmeyi bırakıyor.
Burcu mavi taşlarını nasıl yerleştirirse yerleştirsin, Aslı en az \(K\) adet kırmızı taş yerleştirmeyi garantileyebiliyorsa, \(K\) nın alabileceği en büyük değer nedir?
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{K=100}. \]
Çözüm
Önce Aslı'nın \(100\) kırmızı taş yerleştirmeyi garantileyebileceğini gösterelim.
\(x+y\) çiftse \((x,y)\) yuvasına beyaz diyelim. Tam olarak \(200\) beyaz yuva vardır. Aralarındaki uzaklık \(\sqrt5\) olan iki yuvanın koordinat farklarının mutlak değerleri \(1\) ve \(2\) olduğundan bu yuvalardan tam olarak biri beyazdır. Dolayısıyla Aslı, tüm taşlarını kurallara uygun olarak beyaz yuvalara yerleştirebilir.
Aslı'nın \(k\). hamlesinden önce en fazla \(2(k-1)\) beyaz yuva doludur. \(k\le100\) için bu sayı en fazla \(198\) olduğundan boş bir beyaz yuva kalır. Bu hamleler sırasında \(400\) den az yuva dolu olduğundan Burcu'nun da taş yerleştirebileceği boş yuvalar tükenmez. Böylece Aslı en az \(100\) kırmızı taş yerleştirebilir.
Şimdi Burcu için Aslı'nın en fazla \(100\) kırmızı taş yerleştirmesini sağlayan bir strateji verelim.
Tahtayı, her biri \(4\times4\) yuvadan oluşan \(25\) bloğa ayıralım: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] Her blokta \((a,b)\) yerel koordinatlarını kullanalım ve yuvaları aşağıdaki dört sıralı dörtlüye ayıralım: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] Bu listeler \(16\) yerel yuvanın her birini tam olarak bir kez içerir. Her dörtlüde, sonuncu ile birinci de dâhil olmak üzere, ardışık yuvaların koordinat farklarının mutlak değerleri \(1\) ve \(2\) dir. Dolayısıyla ardışık yuvalar arasındaki uzaklık \(\sqrt5\) tir.
Böylece tahtayı, her biri komşu yuvalar arasındaki uzaklık \(\sqrt5\) olacak şekilde çevrimsel olarak sıralanmış \(100\) dörtlüye ayırmış olduk. Bir dörtlüde aralarında iki sıra bulunan iki yuvaya karşılıklı diyelim.
Burcu'nun stratejisi şudur: Aslı bir kırmızı taş yerleştirdiğinde, Burcu aynı dörtlüdeki karşı yuvaya bir mavi taş yerleştirir.
Bu stratejinin her zaman işe yaradığını doğrulamak için, Burcu'nun her hamlesinden sonra şu özelliğin korunmasını sağlayalım: her dörtlü ya tamamen boştur ya da bir kırmızı taş ve onun karşısında bir mavi taş içerir. İkinci durumda kalan iki yuvanın da kırmızı taşa uzaklığı \(\sqrt5\) olduğundan Aslı bu yuvalara taş yerleştiremez.
Bu özellik başlangıçta sağlanır. Aslı'nın bir sonraki hamlesinden önce sağlanıyorsa, Aslı hamlesini boş bir dörtlüde yapmak zorundadır. Dolayısıyla karşı yuva boştur; böylece Burcu'nun stratejide belirtilen yanıtı kurallara uygundur ve özelliği korur.
Böylece Aslı'nın yerleştirdiği her kırmızı taş, önceden boş olan bir dörtlüyü kullanır ve Aslı bu dörtlüye hiçbir zaman ikinci bir kırmızı taş yerleştiremez. Yalnızca \(100\) dörtlü bulunduğundan Burcu, Aslı'nın en fazla \(100\) kırmızı taş yerleştirmesini sağlar.
İki strateji birlikte \(K=100\) sonucunu verir.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2018 · Problema 4
Un lugar es un punto \((x,y)\) en el plano tal que \(x\), \(y\) son ambos enteros positivos menores o iguales que 20.
Al comienzo, cada uno de los 400 lugares está vacío. Ana y Beto colocan piedras alternadamente, comenzando con Ana. En su turno, Ana coloca una nueva piedra roja en un lugar vacío tal que la distancia entre cualesquiera dos lugares ocupados por piedras rojas es distinto de \(\sqrt{5}\). En su turno, Beto coloca una nueva piedra azul en cualquier lugar vacío. (Un lugar ocupado por una piedra azul puede estar a cualquier distancia de cualquier otro lugar ocupado.) Ellos paran cuando alguno de los dos no pueda colocar una piedra.
Hallar el mayor \(K\) tal que Ana pueda asegurarse de colocar al menos \(K\) piedras rojas, sin importar cómo Beto coloque sus piedras azules.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{K=100}. \]
Solución
Demostraremos primero que Ana puede garantizarse \(100\) piedras rojas.
Llamemos blanco a un lugar \((x,y)\) si \(x+y\) es par. Hay exactamente \(200\) lugares blancos. Dos lugares a distancia \(\sqrt5\) tienen diferencias de coordenadas cuyos valores absolutos son \(1\) y \(2\), por lo que exactamente uno de ellos es blanco. Por consiguiente, Ana puede colocar legalmente todas sus piedras en lugares blancos.
Antes del \(k\)-ésimo turno de Ana, se han ocupado a lo sumo \(2(k-1)\) lugares blancos. Para \(k\le100\), esta cantidad es a lo sumo \(198\), por lo que queda un lugar blanco vacío. Beto tampoco puede quedarse sin lugares vacíos durante estos turnos, pues hay menos de \(400\) lugares ocupados. Por tanto, Ana puede colocar al menos \(100\) piedras rojas.
Daremos ahora una estrategia para Beto que garantiza que Ana coloque a lo sumo \(100\) piedras rojas.
Dividamos el tablero en \(25\) bloques de \(4\times4\) lugares: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] Dentro de cada bloque, usemos coordenadas locales \((a,b)\) y dividamos sus lugares en las siguientes cuatro cuádruplas ordenadas: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] Estas listas contienen cada uno de los \(16\) lugares locales exactamente una vez. En cada cuádrupla, los lugares consecutivos, incluidos el último y el primero, tienen diferencias de coordenadas con valores absolutos \(1\) y \(2\). Por tanto, los lugares consecutivos están a distancia \(\sqrt5\).
Así, hemos dividido el tablero en \(100\) cuádruplas, cada una ordenada cíclicamente de modo que los lugares vecinos están a distancia \(\sqrt5\). Llamemos opuestos a dos lugares si están separados por dos posiciones en su cuádrupla.
La estrategia de Beto es la siguiente: cada vez que Ana coloca una piedra roja, él coloca una piedra azul en el lugar opuesto de la misma cuádrupla.
Para verificar que esta estrategia siempre funciona, mantengamos la siguiente propiedad después de cada turno de Beto: cada cuádrupla está completamente vacía o contiene una piedra roja y una piedra azul en el lugar opuesto. En este último caso, los dos lugares restantes están a distancia \(\sqrt5\) de la piedra roja, por lo que Ana no puede jugar en ellos.
La propiedad se cumple inicialmente. Si se cumple antes de la siguiente jugada de Ana, su jugada debe realizarse en una cuádrupla vacía. Por tanto, el lugar opuesto está vacío, de modo que la respuesta prescrita para Beto es legal y mantiene la propiedad.
Así, cada piedra roja que coloca Ana utiliza una cuádrupla que estaba vacía, y ella nunca puede colocar una segunda piedra roja en esa cuádrupla. Solo hay \(100\) cuádruplas, por lo que Beto garantiza que Ana coloque a lo sumo \(100\) piedras rojas.
Combinando las dos estrategias obtenemos \(K=100\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2018 · 问题 4
我们所谓一个位置是指直角坐标平面上的一个点\((x,y)\),其中\(x,y\)都是不超过\(20\)的正整数.
最初时,所有\(400\)个位置都是空的.甲乙两人轮流摆放石子,由甲先进行.每次轮到甲时,他在一个空的位置上摆上一个新的红色石子,要求任意两个红色石子所在位置之间的距离都不等于\(\sqrt{5}\).每次轮到乙时,他在任意一个空的位置上摆上一个新的蓝色石子.(蓝色石子所在位置与其它石子所在位置之间距离可以是任意值.) 如此这般进行下去直至某个人无法再摆放石子.
试确定最大的整数\(K\),使得无论乙如何摆放蓝色石子,甲总能保证至少摆放\(K\)个红色石子.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{K=100}. \]
解答
首先证明甲能保证摆放\(100\)个红色石子。
若位置\((x,y)\)满足\(x+y\)为偶数,则称其为白色位置。白色位置恰有\(200\)个。距离为\(\sqrt5\)的两个位置,其两个坐标差的绝对值分别为\(1\)和\(2\),所以其中恰有一个是白色位置。因此,甲可以将自己的所有石子都放在白色位置上,而不违反规则。
在甲第\(k\)次行动前,至多有\(2(k-1)\)个白色位置已被占据。当\(k\le100\)时,这个数至多为\(198\),所以仍有空的白色位置。在这些轮次中,乙也不会遇到没有空位置的情形,因为被占据的位置少于\(400\)个。因此,甲至少能摆放\(100\)个红色石子。
现在给出乙的一个策略,保证甲至多摆放\(100\)个红色石子。
将棋盘划分为\(25\)个由\(4\times4\)个位置组成的方块: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] 在每个方块内使用局部坐标\((a,b)\),并将其中的位置划分为以下四个有序四元组: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] 这些四元组将局部的\(16\)个位置各包含一次。在每个四元组中,相邻位置(包括最后一个与第一个位置)的两个坐标差的绝对值分别为\(1\)和\(2\)。因此,相邻位置的距离为\(\sqrt5\)。
这样,我们就将棋盘划分成了\(100\)个四元组,每个四元组按循环顺序排列,使相邻位置的距离为\(\sqrt5\)。若同一四元组中的两个位置在循环顺序中相隔两位,则称它们相对。
乙的策略如下:每当甲摆放一个红色石子,乙就在同一四元组中与之相对的位置上摆放一个蓝色石子。
为验证这一策略始终可行,我们在乙每次行动后保持以下性质:每个四元组或者完全为空,或者含有一个红色石子和一个位于其相对位置的蓝色石子。在后一种情形中,剩下的两个位置到红色石子的距离都为\(\sqrt5\),所以甲不能在这两个位置摆放石子。
这一性质在初始时成立。若在甲的下一次行动前这一性质成立,则甲必定在一个空的四元组中摆放石子。因此,与该位置相对的位置尚未被占据,所以乙按上述策略作出的应对符合规则,并保持这一性质。
因此,甲每摆放一个红色石子,都要使用一个此前为空的四元组,而他永远不能在同一个四元组中摆放第二个红色石子。四元组只有\(100\)个,所以乙能保证甲至多摆放\(100\)个红色石子。
结合这两个策略可得\(K=100\)。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2018 · Задача 4
На координатной плоскости отмечены точки \((x,y)\) с целыми положительными координатами \(x\) и \(y\), не превосходящими \(20\).
Вначале все \(400\) отмеченных точек не заняты. Аня и Ваня делают ходы по очереди, Аня ходит первой. Своим ходом Аня кладёт в ещё не занятую отмеченную точку новый красный камень, причём расстояние между любыми двумя точками с красными камнями не должно равняться \(\sqrt{5}\). Ваня своим ходом кладёт в ещё не занятую отмеченную точку новый синий камень. (Точка с синим камнем может находиться на произвольном расстоянии от других занятых точек.) Игра останавливается, когда кто-то из игроков не может сделать ход.
Найдите наибольшее \(K\), при котором Аня сможет разместить не менее чем \(K\) красных камней независимо от действий Вани.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{K=100}. \]
Решение
Сначала покажем, что Аня может гарантированно разместить \(100\) красных камней.
Назовём отмеченную точку \((x,y)\) белой, если \(x+y\) чётно. Белых точек ровно \(200\). У двух точек на расстоянии \(\sqrt5\) модули разностей координат равны \(1\) и \(2\), поэтому ровно одна из них белая. Следовательно, Аня может, не нарушая правил, ставить все свои камни в белые точки.
Перед \(k\)-м ходом Ани занято не более \(2(k-1)\) белых точек. При \(k\le100\) это число не превосходит \(198\), поэтому остаётся свободная белая точка. На этих ходах у Вани также не могут закончиться свободные точки, поскольку занято менее \(400\) точек. Таким образом, Аня может разместить не менее \(100\) красных камней.
Теперь укажем стратегию Вани, гарантирующую, что Аня разместит не более \(100\) красных камней.
Разобьём поле на \(25\) блоков по \(4\times4\) точки: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] В каждом блоке воспользуемся локальными координатами \((a,b)\) и разобьём его точки на следующие четыре упорядоченные четвёрки: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] Эти списки содержат каждую из \(16\) точек блока ровно один раз. В каждой четвёрке у последовательных точек, включая последнюю и первую, модули разностей координат равны \(1\) и \(2\). Значит, последовательные точки находятся на расстоянии \(\sqrt5\).
Итак, мы разбили поле на \(100\) четвёрок, в каждой из которых точки расположены в циклическом порядке так, что соседние точки находятся на расстоянии \(\sqrt5\). Назовём две точки противоположными, если в своей четвёрке они расположены через одну.
Стратегия Вани такова: всякий раз, когда Аня ставит красный камень, он ставит синий камень в противоположную точку той же четвёрки.
Чтобы убедиться, что эта стратегия всегда работает, будем поддерживать следующее свойство после каждого хода Вани: каждая четвёрка либо совершенно пуста, либо содержит один красный камень и синий камень напротив него. Во втором случае обе оставшиеся точки находятся на расстоянии \(\sqrt5\) от красного камня, поэтому Аня не может сделать туда ход.
Вначале это свойство выполняется. Если оно выполняется перед очередным ходом Ани, то она должна сделать ход в пустую четвёрку. Следовательно, противоположная точка этой четвёрки свободна, так что предписанный стратегией ответ Вани допустим и сохраняет это свойство.
Таким образом, каждый красный камень Аня ставит в ранее пустую четвёрку, и она никогда не сможет поставить в ту же четвёрку второй красный камень. Четвёрок всего \(100\), поэтому Ваня гарантирует, что она разместит не более \(100\) красных камней.
Сопоставляя две стратегии, получаем \(K=100\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2018 · المسألة 4
نعرف الموقع بأنه نقطة \((x,y)\) في المستوي بحيث \(x,y\) عددان صحيحان موجبان أقل من أو يساوي \(20\).
بدايةً جميع المواقع و التي عددها \(400\) خالية. أحلام و بدر يتبادلان الأدوار في اللعب حيث البداية لأحلام. عندما يأتي الدور على أحلام فإنها تقوم بوضع حجر جديد لونه أحمر على موقع خالٍ بحيث أن المسافة بين أي موقعين يحويان حجرًا أحمرًا لا تساوي \(\sqrt{5}\). عندما يأتي الدور على بدر فإنه يضع حجرًا جديدًا لونه أزرق في أي موقع خال (لا توجد قيود على المسافة بين موقع الحجر الأزرق الجديد و أي مواقع أخرى فيها أحجار مهما كان اللون). اللعبة تنتهي عندما لا يستطيع أي من اللاعبين أن يضيف حجرًا جديدًا.
أوجد أكبر قيمة للعدد \(K\) بحيث تضمن أحلام أنها تستطيع أن تضع على الأقل \(K\) من الأحجار الحمراء بغض النظر عن الأماكن التي يضع فيها بدر أحجاره الزرقاء.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{K=100}. \]
الحل
نبيّن أولًا أن أحلام تستطيع ضمان وضع \(100\) حجر أحمر.
نسمّي الموقع \((x,y)\) أبيض إذا كان \(x+y\) زوجيًا. يوجد بالضبط \(200\) موقع أبيض. إذا كانت المسافة بين موقعين تساوي \(\sqrt5\)، فإن القيمتين المطلقتين لفرقي إحداثياتهما هما \(1\) و \(2\)، ولذلك يكون أحدهما فقط أبيض. وعليه، يجوز لأحلام أن تضع جميع أحجارها على مواقع بيضاء.
قبل الدور رقم \(k\) لأحلام، يكون قد شُغل ما لا يزيد عن \(2(k-1)\) موقع أبيض. عندما يكون \(k\le100\)، لا يتجاوز هذا العدد \(198\)، فيبقى موقع أبيض خالٍ. ولا يمكن أن تنفد المواقع الخالية أمام بدر خلال هذه الأدوار أيضًا، إذ يكون عدد المواقع المشغولة أقل من \(400\). إذن تستطيع أحلام وضع ما لا يقل عن \(100\) حجر أحمر.
نعطي الآن استراتيجية لبدر تضمن ألّا تضع أحلام أكثر من \(100\) حجر أحمر.
نقسّم اللوحة إلى \(25\) كتلة، كل منها من \(4\times4\) مواقع: \[ B_{i,j}=\{(4i+a,4j+b):1\le a,b\le4\}, \qquad 0\le i,j\le4. \] داخل كل كتلة، نستخدم إحداثيات محلية \((a,b)\)، ونقسّم مواقعها إلى الرباعيات المرتبة الأربع الآتية: \[ \begin{aligned} Q_1&=((1,1),(2,3),(4,4),(3,2)),\\ Q_2&=((1,4),(2,2),(4,1),(3,3)),\\ Q_3&=((1,2),(3,1),(4,3),(2,4)),\\ Q_4&=((1,3),(2,1),(4,2),(3,4)). \end{aligned} \] تحتوي هذه القوائم على كل واحد من المواقع المحلية الـ \(16\) مرة واحدة بالضبط. وفي كل رباعية، تكون القيمتان المطلقتان لفرقي إحداثيات موقعين متتاليين، بما في ذلك الموقعان الأخير والأول، هما \(1\) و \(2\). ومن ثم فإن المسافة بين موقعين متتاليين تساوي \(\sqrt5\).
وهكذا قسمنا اللوحة إلى \(100\) رباعية، مرتبة كل منها ترتيبًا دوريًا بحيث تكون المسافة بين المواقع المتجاورة \(\sqrt5\). نسمّي موقعين متقابلين إذا فصلت بين موضعيهما خطوتان في رباعيتهما.
استراتيجية بدر هي الآتية: كلما وضعت أحلام حجرًا أحمر، يضع حجرًا أزرق في الموقع المقابل ضمن الرباعية نفسها.
للتحقق من أن هذه الاستراتيجية تنجح دائمًا، نحافظ على الخاصية الآتية بعد كل دور لبدر: كل رباعية إما خالية تمامًا، وإما تحتوي على حجر أحمر واحد وحجر أزرق يقابله. وفي الحالة الثانية، يكون كل من الموقعين الباقيين على مسافة \(\sqrt5\) من الحجر الأحمر، فلا تستطيع أحلام اللعب فيهما.
تتحقق الخاصية في البداية. وإذا تحققت قبل حركة أحلام التالية، فلا بد أن تكون حركتها في رباعية خالية. ومن ثم يكون الموقع المقابل خاليًا، فيكون رد بدر المحدد جائزًا ويحافظ على الخاصية.
إذن كل حجر أحمر تضعه أحلام يشغل رباعية كانت خالية، ولا تستطيع أبدًا وضع حجر أحمر ثانٍ في تلك الرباعية. ولا يوجد سوى \(100\) رباعية، ولذلك يضمن بدر ألّا تضع أحلام أكثر من \(100\) حجر أحمر.
بالجمع بين الاستراتيجيتين نحصل على \(K=100\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.