IMO 2019 · Problem 5
The Bank of Bath issues coins with an \(H\) on one side and a \(T\) on the other. Harry has \(n\) of these coins arranged in a line from left to right. He repeatedly performs the following operation: if there are exactly \(k>0\) coins showing \(H\), then he turns over the \(k^{\text{th}}\) coin from the left; otherwise, all coins show \(T\) and he stops. For example, if \(n=3\) the process starting with the configuration \(THT\) would be \(THT\to HHT\to HTT\to TTT\), which stops after three operations.
(a) Show that, for each initial configuration, Harry stops after a finite number of operations.
(b) For each initial configuration \(C\), let \(L(C)\) be the number of operations before Harry stops. For example, \(L(THT)=3\) and \(L(TTT)=0\). Determine the average value of \(L(C)\) over all \(2^n\) possible initial configurations \(C\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Harry always stops. The average number of operations is \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Solution
Number the coins \(1,2,\ldots,n\) from left to right. For a configuration \(C\), let \(k\) be the number of heads and let \(S\) be the sum of the positions of those heads. Define \[ V(C)=2S-k^2. \]
We show that \(V(C)\) is a nonnegative integer that decreases by exactly \(1\) at every operation.
If the heads occupy positions \(a_1<a_2<\cdots<a_k\), then \(a_j\ge j\), so \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] Thus \(V(C)\ge0\), and \(V(C)=0\) if and only if there are no heads.
Now suppose \(k>0\), and let \(C'\) be the configuration after one operation. The coin in position \(k\) is turned over. Put \(\varepsilon=1\) if it changes from \(T\) to \(H\), and \(\varepsilon=-1\) if it changes from \(H\) to \(T\). The new number of heads is \(k+\varepsilon\), and the new sum of their positions is \(S+\varepsilon k\). Consequently, \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
Since a nonnegative integer cannot decrease indefinitely, the process must stop. At that point all coins show \(T\), so the final value of \(V\) is zero. Therefore \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] This proves part (a) and gives the formula needed for part (b).
Choose an initial configuration uniformly from all \(2^n\) configurations. For each \(i\), let \(X_i=1\) if coin \(i\) shows \(H\), and \(X_i=0\) otherwise. Then \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] Each \(X_i\) has expectation \(1/2\), and distinct coins are independent, so \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) for \(i\ne j\). Hence \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] and, using \(X_i^2=X_i\), \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] Thus the required average is \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2019 · Aufgabe 5
Die Bank of Bath prägt Münzen mit einem \(H\) auf der einen Seite und einem \(T\) auf der anderen. Harry hat \(n\) dieser Münzen von links nach rechts aufgereiht. Er führt wiederholt die folgende Operation durch: Zeigen genau \(k>0\) Münzen ein \(H\), dann dreht er die \(k\)-te Münze von links um; falls alle Münzen ein \(T\) zeigen, hört er auf. Zum Beispiel wäre für \(n=3\) mit Anfangskonfiguration \(THT\) der Prozess \(THT\to HHT\to HTT\to TTT\), welcher nach 3 Operationen endet.
(a) Man zeige, dass Harry für jede Anfangskonfiguration nach einer endlichen Anzahl von Operationen aufhört.
(b) Für jede Anfangskonfiguration \(C\) sei \(L(C)\) die Anzahl der Operationen bis Harry aufhört. Beispielsweise sind \(L(THT)=3\) und \(L(TTT)=0\). Man bestimme den Durchschnittswert von \(L(C)\) über alle \(2^n\) möglichen Anfangskonfigurationen \(C\).
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Harry hört immer auf. Die durchschnittliche Anzahl der Operationen ist \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Lösung
Nummeriere die Münzen von links nach rechts mit \(1,2,\ldots,n\). Für eine Konfiguration \(C\) sei \(k\) die Anzahl der Münzen, die Kopf zeigen, und \(S\) die Summe der Positionen dieser Münzen. Definiere \[ V(C)=2S-k^2. \]
Wir zeigen, dass \(V(C)\) eine nichtnegative ganze Zahl ist, die bei jeder Operation um genau \(1\) abnimmt.
Wenn die Münzen, die Kopf zeigen, die Positionen \(a_1<a_2<\cdots<a_k\) einnehmen, gilt \(a_j\ge j\), also \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] Somit ist \(V(C)\ge0\), und \(V(C)=0\) gilt genau dann, wenn keine Münze Kopf zeigt.
Nehmen wir nun \(k>0\) an, und sei \(C'\) die Konfiguration nach einer Operation. Die Münze an Position \(k\) wird umgedreht. Setze \(\varepsilon=1\), wenn sie von \(T\) zu \(H\) wechselt, und \(\varepsilon=-1\), wenn sie von \(H\) zu \(T\) wechselt. Die neue Anzahl der Münzen, die Kopf zeigen, ist \(k+\varepsilon\), und die neue Summe ihrer Positionen ist \(S+\varepsilon k\). Folglich gilt \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
Da eine nichtnegative ganze Zahl nicht unbegrenzt abnehmen kann, muss der Prozess enden. Zu diesem Zeitpunkt zeigen alle Münzen \(T\), also ist der Endwert von \(V\) gleich null. Daher gilt \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] Dies beweist Teil (a) und liefert die für Teil (b) benötigte Formel.
Wähle eine Anfangskonfiguration gleichverteilt aus allen \(2^n\) Konfigurationen. Für jedes \(i\) sei \(X_i=1\), falls Münze \(i\) ein \(H\) zeigt, und andernfalls \(X_i=0\). Dann gilt \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] Jedes \(X_i\) hat den Erwartungswert \(1/2\), und verschiedene Münzen sind unabhängig, also gilt \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) für \(i\ne j\). Daher ist \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] und mit \(X_i^2=X_i\) gilt \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] Somit ist der gesuchte Durchschnittswert \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2019 · Soru 5
Bath Bankası bir yüzünde \(H\), diğer yüzünde \(T\) yazan madeni paralar basmıştır. Bu paralardan \(n\) tanesi soldan sağa dizilmiş olarak Giray’ın önünde duruyor. Giray şu işlemi tekrar tekrar uyguluyor: önündeki paralardan tam olarak \(k>0\) tanesinin \(H\) yüzü üstteyse, soldan \(k\)-inci sıradaki parayı ters çeviriyor; aksi halde, yani tüm paraların \(T\) yüzü üstteyse, duruyor. Örneğin, \(n=3\) durumunda \(THT\) dizilişiyle başlayan süreç \(THT\to HHT\to HTT\to TTT\) olarak devam edip üç işlem sonunda durur.
(a) Başlangıçtaki diziliş nasıl olursa olsun, Giray’ın sonlu sayıda işlem sonunda duracağını gösteriniz.
(b) Her \(C\) başlangıç dizilişi için, \(L(C)\) ile Giray’ın durana kadar yaptığı işlem sayısı gösterilsin. Örneğin, \(L(THT)=3\) ve \(L(TTT)=0\) dır. Her bir \(C\) başlangıç dizilişi için \(L(C)\) değerinin ayrı ayrı belirlenmesiyle elde edilen \(2^n\) adet sayının ortalamasını bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Giray her zaman durur. Ortalama işlem sayısı \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4} \] olur.
Çözüm
Paraları soldan sağa \(1,2,\ldots,n\) olarak numaralandıralım. Bir \(C\) dizilişi için, \(H\) yüzü üstte olan paraların sayısı \(k\), bu paraların sıra numaralarının toplamı ise \(S\) olsun. \[ V(C)=2S-k^2 \] olarak tanımlayalım.
\(V(C)\)'nin, her işlemde tam olarak \(1\) azalan, negatif olmayan bir tam sayı olduğunu göstereceğiz.
\(H\) yüzü üstte olan paralar \(a_1<a_2<\cdots<a_k\) sıralarında bulunuyorsa \(a_j\ge j\) olur; dolayısıyla \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] Böylece \(V(C)\ge0\)'dır ve \(V(C)=0\) olması için gerek ve yeter koşul, \(H\) yüzü üstte olan hiçbir paranın bulunmamasıdır.
Şimdi \(k>0\) olduğunu varsayalım ve bir işlemden sonraki dizilişe \(C'\) diyelim. \(k\) sırasındaki para ters çevrilir. Bu para \(T\)'den \(H\)'ye dönüyorsa \(\varepsilon=1\), \(H\)'den \(T\)'ye dönüyorsa \(\varepsilon=-1\) alalım. \(H\) yüzü üstte olan paraların yeni sayısı \(k+\varepsilon\), sıra numaralarının yeni toplamı ise \(S+\varepsilon k\) olur. Dolayısıyla, \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
Negatif olmayan bir tam sayı sonsuza kadar azalamayacağından süreç durmak zorundadır. O anda tüm paraların \(T\) yüzü üsttedir; dolayısıyla \(V\)'nin son değeri sıfırdır. Bu nedenle \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2} \] olur. Bu, (a) şıkkını ispatlar ve (b) şıkkı için gereken formülü verir.
Tüm \(2^n\) diziliş arasından eşit olasılıkla bir başlangıç dizilişi seçelim. Her \(i\) için, \(i\) numaralı paranın \(H\) yüzü üstteyse \(X_i=1\), aksi hâlde \(X_i=0\) olsun. O zaman \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i \] olur. Her \(X_i\)'nin beklenen değeri \(1/2\)'dir ve farklı paralar bağımsızdır; dolayısıyla \(i\ne j\) için \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) olur. Buradan \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] ve \(X_i^2=X_i\) kullanılarak \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4 \] elde edilir. Böylece istenen ortalama \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4} \] olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2019 · Problema 5
El Banco de Bath emite monedas con una \(H\) en una cara y una \(T\) en la otra. Harry tiene \(n\) monedas de este tipo alineadas de izquierda a derecha. Él realiza repetidamente la siguiente operación: si hay exactamente \(k>0\) monedas con la \(H\) hacia arriba, Harry voltea la \(k\)-ésima moneda contando desde la izquierda; en caso contrario, todas las monedas tienen la \(T\) hacia arriba y él se detiene. Por ejemplo, si \(n=3\) y la configuración inicial es \(THT\), el proceso sería \(THT\to HHT\to HTT\to TTT\), que se detiene después de tres operaciones.
(a) Demostrar que para cualquier configuración inicial que tenga Harry, el proceso se detiene después de un número finito de operaciones.
(b) Para cada configuración inicial \(C\), sea \(L(C)\) el número de operaciones que se realizan hasta que Harry se detiene. Por ejemplo, \(L(THT)=3\) y \(L(TTT)=0\). Determinar el valor promedio de \(L(C)\) sobre todas las \(2^n\) posibles configuraciones iniciales de \(C\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Harry siempre se detiene. El número promedio de operaciones es \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Solución
Numeramos las monedas \(1,2,\ldots,n\) de izquierda a derecha. Para una configuración \(C\), sea \(k\) el número de caras y sea \(S\) la suma de las posiciones de esas caras. Definimos \[ V(C)=2S-k^2. \]
Mostramos que \(V(C)\) es un entero no negativo que disminuye exactamente en \(1\) en cada operación.
Si las caras ocupan las posiciones \(a_1<a_2<\cdots<a_k\), entonces \(a_j\ge j\), por lo que \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] Así, \(V(C)\ge0\), y \(V(C)=0\) si y solo si no hay caras.
Supongamos ahora que \(k>0\), y sea \(C'\) la configuración después de una operación. Se voltea la moneda de la posición \(k\). Ponemos \(\varepsilon=1\) si cambia de \(T\) a \(H\), y \(\varepsilon=-1\) si cambia de \(H\) a \(T\). El nuevo número de caras es \(k+\varepsilon\), y la nueva suma de sus posiciones es \(S+\varepsilon k\). Por consiguiente, \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
Como un entero no negativo no puede disminuir indefinidamente, el proceso debe detenerse. En ese momento todas las monedas muestran \(T\), por lo que el valor final de \(V\) es cero. Por lo tanto, \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] Esto demuestra el apartado (a) y proporciona la fórmula necesaria para el apartado (b).
Elegimos una configuración inicial de manera uniforme entre las \(2^n\) configuraciones. Para cada \(i\), sea \(X_i=1\) si la moneda \(i\) muestra \(H\), y \(X_i=0\) en caso contrario. Entonces \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] Cada \(X_i\) tiene esperanza \(1/2\), y las distintas monedas son independientes, por lo que \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) para \(i\ne j\). Por tanto, \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] y, usando \(X_i^2=X_i\), \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] Así pues, el promedio pedido es \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2019 · 问题 5
巴斯银行发行的硬币在一面上铸有\(H\), 在另一面上铸有\(T\). 哈利有\(n\)枚这样的硬币并将这些硬币从左至右排成一行. 他反复地进行如下操作: 如果恰有\(k\ (>0)\)枚硬币\(H\)面朝上, 则他将从左至右的第\(k\)枚硬币翻转; 如果所有硬币都是\(T\)面朝上, 则停止操作. 例如: 当\(n=3\), 并且初始状态是\(THT\), 则操作过程为\(THT\to HHT\to HTT\to TTT\), 总共进行了三次操作后停止.
(a) 证明: 对每个初始状态, 哈利总在有限次操作后停止.
(b) 对每个初始状态\(C\), 记\(L(C)\)为哈利从初始状态\(C\)开始至停止操作时的操作次数, 例如\(L(THT)=3\), \(L(TTT)=0\). 求\(C\)取遍所有\(2^n\)个可能的初始状态时得到的\(L(C)\)的平均值.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
哈利总会停止。操作次数的平均值为 \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
解答
将硬币从左至右编号为\(1,2,\ldots,n\)。对于状态\(C\),设\(k\)为正面朝上的硬币数,\(S\)为这些硬币的位置编号之和。定义 \[ V(C)=2S-k^2. \]
我们证明,\(V(C)\)是一个非负整数,且每次操作都使它恰好减少\(1\)。
若正面朝上的硬币位于\(a_1<a_2<\cdots<a_k\),则\(a_j\ge j\),所以 \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] 因此\(V(C)\ge0\),且\(V(C)=0\)当且仅当没有正面朝上的硬币。
现在假设\(k>0\),并设\(C'\)为一次操作后的状态。位于位置\(k\)的硬币被翻转。若它从\(T\)变为\(H\),则令\(\varepsilon=1\);若它从\(H\)变为\(T\),则令\(\varepsilon=-1\)。新的正面朝上的硬币数为\(k+\varepsilon\),它们的位置编号之和为\(S+\varepsilon k\)。因此, \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
由于非负整数不可能无限递减,这一过程必定停止。此时所有硬币都是\(T\)面朝上,所以\(V\)的最终值为零。因此 \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] 这证明了 (a),并给出了 (b) 所需的公式。
从全部\(2^n\)个状态中等概率地选取一个初始状态。对每个\(i\),若第\(i\)枚硬币\(H\)面朝上,则令\(X_i=1\),否则令\(X_i=0\)。于是 \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] 每个\(X_i\)的期望为\(1/2\),且不同硬币的朝向相互独立,所以当\(i\ne j\)时,\(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\)。故 \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] 并且,利用\(X_i^2=X_i\),有 \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] 因此,所求的平均值为 \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2019 · Задача 5
Банк города Бат выпускает монеты с буквой \(H\) на одной стороне и буквой \(T\) на другой стороне. Гарри разложил \(n\) таких монет в ряд слева направо. Он последовательно производит следующую операцию: если в ряду ровно \(k>0\) монет лежат буквой \(H\) кверху, то он переворачивает \(k\)-ю слева монету; иначе все монеты лежат буквой \(T\) кверху, и он останавливается. Например, если \(n=3\) и процесс начинается с конфигурации \(THT\), то последовательность операций выглядит как \(THT\to HHT\to HTT\to TTT\), то есть процесс остановится после трех операций.
(a) Докажите, что при любой начальной конфигурации процесс остановится после конечного числа операций.
(b) Для каждой начальной конфигурации \(C\) через \(L(C)\) обозначим количество операций, после которых процесс остановится. Например, \(L(THT)=3\) и \(L(TTT)=0\). Найдите среднее арифметическое значений \(L(C)\), когда \(C\) пробегает все \(2^n\) возможных начальных конфигураций.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Гарри всегда останавливается. Среднее число операций равно \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Решение
Пронумеруем монеты \(1,2,\ldots,n\) слева направо. Для конфигурации \(C\) обозначим через \(k\) число монет, лежащих буквой H кверху, а через \(S\) — сумму номеров позиций этих монет. Определим \[ V(C)=2S-k^2. \]
Покажем, что \(V(C)\) — неотрицательное целое число, которое при каждой операции уменьшается ровно на \(1\).
Если монеты, лежащие буквой H кверху, занимают позиции \(a_1<a_2<\cdots<a_k\), то \(a_j\ge j\), поэтому \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] Таким образом, \(V(C)\ge0\), причём \(V(C)=0\) тогда и только тогда, когда ни одна монета не лежит буквой H кверху.
Теперь предположим, что \(k>0\), и пусть \(C'\) — конфигурация после одной операции. Переворачивается монета в позиции \(k\). Положим \(\varepsilon=1\), если она переворачивается с \(T\) на \(H\), и \(\varepsilon=-1\), если она переворачивается с \(H\) на \(T\). Новое число монет, лежащих буквой H кверху, равно \(k+\varepsilon\), а новая сумма номеров их позиций равна \(S+\varepsilon k\). Следовательно, \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
Поскольку неотрицательное целое число не может убывать бесконечно, процесс обязательно остановится. В этот момент все монеты лежат буквой \(T\) кверху, поэтому конечное значение \(V\) равно нулю. Следовательно, \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] Это доказывает пункт (a) и даёт формулу, необходимую для пункта (b).
Выберем начальную конфигурацию равновероятно из всех \(2^n\) конфигураций. Для каждого \(i\) положим \(X_i=1\), если монета \(i\) лежит буквой \(H\) кверху, и \(X_i=0\) в противном случае. Тогда \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] Математическое ожидание каждой \(X_i\) равно \(1/2\), а положения разных монет независимы, поэтому \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) при \(i\ne j\). Следовательно, \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] и, используя \(X_i^2=X_i\), получаем \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] Таким образом, искомое среднее равно \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2019 · المسألة 5
يُصدر البنك في مدينة باث قطعاً من النقود عليها الحرف \(H\) على أحد الوجهين والحرف \(T\) على الوجه الآخر. يمتلك هاني \(n\) من هذه القطع مرتبة على شكل خط مستقيم من اليسار إلى اليمين. يقوم هاني بتكرار العملية التالية:
إذا كان لدينا بالضبط \(k>0\) من النقود على وجهها الحرف \(H\) فإنه يقوم بقلب القطعة التي ترتيبها \(k\) من اليسار، وتتوقف العملية عندما تكون أوجه كل النقود \(T\). على سبيل المثال إذا كان \(n=3\) فإن العملية التي تبدأ بالتشكيلة \(THT\) تصبح كالتالي: \[ THT\to HHT\to HTT\to TTT \] أي أن عدد العمليات هنا \(3\) ثم تتوقف.
(a) أثبت أنه لكل تشكيلة ممكنة سيتمكن هاني من التوقف بعد عدد منتهي من العمليات.
(b) لكل تشكيلة ممكنة \(C\) ترمز \(L(C)\) لعدد العمليات التي سيجريها هاني قبل أن يتوقف. على سبيل المثال \(L(THT)=3\)، \(L(TTT)=0\). احسب متوسط قيمة \(L(C)\) على كل التشكيلات الممكنة لـ \(C\) والتي عددها \(2^n\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
يتوقف هاني دائمًا. ومتوسط عدد العمليات هو \[ \boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
الحل
نرقّم القطع \(1,2,\ldots,n\) من اليسار إلى اليمين. لتشكيلة \(C\)، ليكن \(k\) عدد القطع التي يظهر عليها الوجه H، وليكن \(S\) مجموع مواضع هذه القطع. نعرّف \[ V(C)=2S-k^2. \]
نبين أن \(V(C)\) عدد صحيح غير سالب ينقص بمقدار \(1\) بالضبط عند كل عملية.
إذا كانت القطع التي يظهر عليها الوجه H تشغل المواضع \(a_1<a_2<\cdots<a_k\)، فإن \(a_j\ge j\)، لذا \[ V(C)=2\sum_{j=1}^{k}a_j-k^2 \ge 2\sum_{j=1}^{k}j-k^2=k. \] إذن \(V(C)\ge0\)، وتكون \(V(C)=0\) إذا وفقط إذا لم تكن هناك قطع يظهر عليها الوجه H.
لنفترض الآن أن \(k>0\)، ولتكن \(C'\) التشكيلة بعد عملية واحدة. تُقلب القطعة التي في الموضع \(k\). نضع \(\varepsilon=1\) إذا تغيرت من \(T\) إلى \(H\)، و\(\varepsilon=-1\) إذا تغيرت من \(H\) إلى \(T\). يصبح عدد القطع التي يظهر عليها الوجه H هو \(k+\varepsilon\)، ويصبح مجموع مواضعها \(S+\varepsilon k\). وبالتالي، \[ \begin{aligned} V(C') &=2(S+\varepsilon k)-(k+\varepsilon)^2\\ &=2S-k^2-\varepsilon^2\\ &=V(C)-1. \end{aligned} \]
بما أن عددًا صحيحًا غير سالب لا يمكن أن يستمر في التناقص إلى ما لا نهاية، فلا بد أن تتوقف العملية. وعندئذ يظهر \(T\) على جميع القطع، فتكون القيمة النهائية لـ\(V\) صفرًا. لذلك \[ \boxed{L(C)=V(C)=2S-k^2}. \] وهذا يثبت الجزء (a) ويعطي الصيغة اللازمة للجزء (b).
نختار تشكيلة ابتدائية باحتمالات متساوية من جميع التشكيلات البالغ عددها \(2^n\). لكل \(i\)، نضع \(X_i=1\) إذا ظهر \(H\) على القطعة \(i\)، و\(X_i=0\) في غير ذلك. عندئذ \[ S=\sum_{i=1}^{n}iX_i,\qquad k=\sum_{i=1}^{n}X_i. \] القيمة المتوقعة لكل \(X_i\) هي \(1/2\)، والقطع المختلفة مستقلة، لذا \(\mathbb E[X_iX_j]=1/4\) عندما يكون \(i\ne j\). ومن ثم \[ \mathbb E[2S]=2\sum_{i=1}^{n}i\cdot\frac12 =\frac{n(n+1)}2, \] وباستخدام \(X_i^2=X_i\)، \[ \mathbb E[k^2] =\sum_{i=1}^{n}\mathbb E[X_i] +2\sum_{1\le i<j\le n}\mathbb E[X_iX_j] =\frac n2+\frac{n(n-1)}4 =\frac{n(n+1)}4. \] إذن المتوسط المطلوب هو \[ \mathbb E[L(C)] =\mathbb E[2S-k^2] =\frac{n(n+1)}2-\frac{n(n+1)}4 =\boxed{\frac{n(n+1)}4}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.