IMO 2020 · Problem 3
There are \(4n\) pebbles of weights \(1,2,3,\ldots,4n\). Each pebble is coloured in one of \(n\) colours and there are four pebbles of each colour. Show that we can arrange the pebbles into two piles so that the following two conditions are both satisfied:
- The total weights of both piles are the same.
- Each pile contains two pebbles of each colour.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Partition the pebbles into the \(2n\) pairs \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] where the numbers denote weights. Every pair has total weight \(4n+1\). We will assign each pair wholly to one pile.
Construct a multigraph whose vertices are the \(n\) colours. Each pair gives an edge joining the colours of its two pebbles. Multiple edges are allowed, and a pair of the same colour gives a loop. Counting a loop twice towards the degree, every vertex has degree \(4\), because there are four pebbles of each colour.
Consider any connected component with \(v\) vertices. The sum of its degrees is \(4v\), so it has \(2v\) edges; in particular, its number of edges is even.
Furthermore, this component has an Euler circuit: a closed trail using every edge exactly once. Here is a proof of this fact. Start at any vertex and follow unused edges until no further edge is available. Since all degrees are even, the trail can stop only at its starting vertex. Removing the edges of this closed trail leaves even degrees at every vertex. If some edges remain unused, connectedness ensures that some vertex on the trail is incident with an unused edge. Starting there, construct another closed trail of unused edges and insert it into the first trail. Repeating this procedure eventually gives the required Euler circuit.
Label the edges of this circuit alternately \(A,B,A,B,\ldots\). Its length is even, so the last and first edges also have different labels.
At each vertex, pair each arriving edge incidence with the outgoing edge incidence immediately following it in the circuit, treating the circuit cyclically. These pairs partition the four incidences at that vertex, and each pair contains one incidence labelled \(A\) and one labelled \(B\). Thus every vertex has exactly two incidences of each label. This includes loops, whose two incidences correspond to their two pebbles.
Do this independently in every connected component. Now put both pebbles of each edge labelled \(A\) into the first pile, and both pebbles of each edge labelled \(B\) into the second pile.
The incidence count shows that each pile contains exactly two pebbles of every colour. Consequently, each pile contains \(2n\) pebbles, forming \(n\) of our original pairs. Since every pair weighs \(4n+1\), both piles have total weight \[ n(4n+1). \] Both required conditions hold.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2020 · Aufgabe 3
Gegeben seien \(4n\) Steine mit den Gewichten \(1,2,3,\ldots,4n\). Jeder Stein hat eine von \(n\) Farben, und es gibt vier Steine in jeder Farbe. Man zeige, dass die Steine so auf zwei Haufen verteilt werden können, dass die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:
- Die beiden Haufen haben gleiches Gesamtgewicht.
- Jeder Haufen enthält zwei Steine jeder Farbe.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Teile die Steine in die \(2n\) Paare \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] auf, wobei die Zahlen die Gewichte bezeichnen. Jedes Paar hat das Gesamtgewicht \(4n+1\). Wir werden jedes Paar vollständig einem Haufen zuordnen.
Konstruiere einen Multigraphen, dessen Knoten die \(n\) Farben sind. Jedes Paar ergibt eine Kante, welche die Farben seiner beiden Steine verbindet. Mehrfachkanten sind erlaubt, und ein gleichfarbiges Paar ergibt eine Schleife. Zählt man eine Schleife beim Grad doppelt, so hat jeder Knoten den Grad \(4\), weil es vier Steine jeder Farbe gibt.
Betrachte eine beliebige Zusammenhangskomponente mit \(v\) Knoten. Die Summe ihrer Grade ist \(4v\), also hat sie \(2v\) Kanten; insbesondere ist ihre Kantenzahl gerade.
Außerdem besitzt diese Komponente einen Eulerkreis: einen geschlossenen Kantenzug, der jede Kante genau einmal durchläuft. Dies lässt sich wie folgt beweisen. Beginne an einem beliebigen Knoten und folge unbenutzten Kanten, bis keine weitere Kante zur Verfügung steht. Da alle Grade gerade sind, kann der Kantenzug nur an seinem Anfangsknoten enden. Entfernt man die Kanten dieses geschlossenen Kantenzugs, so bleiben an jedem Knoten gerade Grade übrig. Falls noch unbenutzte Kanten vorhanden sind, stellt der Zusammenhang sicher, dass ein Knoten des Kantenzugs mit einer unbenutzten Kante inzident ist. Konstruiere von dort aus einen weiteren geschlossenen Kantenzug aus unbenutzten Kanten und füge ihn in den ersten Kantenzug ein. Durch Wiederholung dieses Verfahrens erhält man schließlich den gesuchten Eulerkreis.
Beschrifte die Kanten dieses Eulerkreises abwechselnd mit \(A,B,A,B,\ldots\). Seine Länge ist gerade, sodass auch die letzte und die erste Kante verschiedene Beschriftungen haben.
Paare an jedem Knoten jede ankommende Kanteninzidenz mit der im Eulerkreis unmittelbar darauffolgenden abgehenden Kanteninzidenz, wobei der Eulerkreis zyklisch betrachtet wird. Diese Paare zerlegen die vier Inzidenzen an diesem Knoten, und jedes Paar enthält eine mit \(A\) und eine mit \(B\) beschriftete Inzidenz. Somit hat jeder Knoten genau zwei Inzidenzen jeder Beschriftung. Dies schließt Schleifen ein, deren zwei Inzidenzen ihren beiden Steinen entsprechen.
Führe dies unabhängig in jeder Zusammenhangskomponente durch. Lege nun beide Steine jeder mit \(A\) beschrifteten Kante auf den ersten Haufen und beide Steine jeder mit \(B\) beschrifteten Kante auf den zweiten Haufen.
Die Zählung der Inzidenzen zeigt, dass jeder Haufen genau zwei Steine jeder Farbe enthält. Folglich enthält jeder Haufen \(2n\) Steine, die \(n\) unserer ursprünglichen Paare bilden. Da jedes Paar \(4n+1\) wiegt, haben beide Haufen das Gesamtgewicht \[ n(4n+1). \] Beide geforderten Bedingungen sind erfüllt.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2020 · Soru 3
Ağırlıkları \(1,2,3,\ldots,4n\) olan \(4n\) tane taş bulunmaktadır. Her taş \(n\) renkten birine boyanmıştır ve her bir renk için o renge boyalı dört taş bulunmaktadır. Aşağıdaki her iki koşul aynı anda sağlanacak şekilde bu taşları iki öbeğe ayırabileceğimizi gösteriniz:
- İki öbeğin toplam ağırlıkları birbirine eşittir.
- Her bir öbekte her bir renkten tam olarak iki taş vardır.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Taşları, sayıların ağırlıkları gösterdiği şu \(2n\) çifte ayıralım: \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] Her çiftin toplam ağırlığı \(4n+1\) dir. Her çiftin tamamını tek bir öbeğe yerleştireceğiz.
Köşeleri \(n\) renk olan bir çoklu çizge oluşturalım. Her çift, iki taşının renklerini birleştiren bir kenar belirlesin. Aynı iki köşe arasında birden fazla kenar bulunmasına izin verilir ve aynı renkteki iki taştan oluşan bir çift bir ilmek belirler. Derece hesabında bir ilmek iki kez sayıldığında, her renkten dört taş bulunduğu için her köşenin derecesi \(4\) olur.
\(v\) köşeli herhangi bir bağlantılı bileşeni ele alalım. Derecelerinin toplamı \(4v\) olduğundan bu bileşenin \(2v\) kenarı vardır; özellikle kenar sayısı çifttir.
Ayrıca bu bileşenin bir Euler turu, yani her kenarı tam olarak bir kez kullanan kapalı bir yürüyüşü vardır. Bu olgunun bir kanıtını verelim. Herhangi bir köşeden başlayıp kullanılmamış kenarlar boyunca, kullanılabilecek başka kenar kalmayana kadar ilerleyelim. Tüm dereceler çift olduğundan yürüyüş yalnızca başladığı köşede sona erebilir. Bu kapalı yürüyüşün kenarları çıkarıldığında her köşenin derecesi çift kalır. Kullanılmamış kenarlar kalmışsa bağlantılılık, yürüyüş üzerindeki bir köşeye kullanılmamış bir kenarın bağlı olmasını sağlar. Bu köşeden başlayarak kullanılmamış kenarlardan oluşan başka bir kapalı yürüyüş oluşturalım ve bunu ilk yürüyüşe ekleyelim. Bu işlemi tekrarladığımızda sonunda istenen Euler turunu elde ederiz.
Bu turun kenarlarını sırayla \(A,B,A,B,\ldots\) olarak etiketleyelim. Uzunluğu çift olduğundan son ve ilk kenarların etiketleri de farklıdır.
Turu döngüsel olarak ele alıp her köşede, köşeye gelen her kenar ucunu turda hemen ardından köşeden çıkan kenar ucuyla eşleştirelim. Bu çiftler, o köşedeki dört kenar ucunu böler ve her çiftte \(A\) etiketli bir uç ile \(B\) etiketli bir uç bulunur. Dolayısıyla her köşede her etiketten tam olarak iki kenar ucu vardır. Bu durum, iki ucu iki taşına karşılık gelen ilmekleri de kapsar.
Bu işlemi her bağlantılı bileşende birbirinden bağımsız olarak yapalım. Şimdi \(A\) etiketli her kenarın iki taşını da birinci öbeğe, \(B\) etiketli her kenarın iki taşını da ikinci öbeğe koyalım.
Kenar uçlarının sayımı, her öbekte her renkten tam olarak iki taş bulunduğunu gösterir. Dolayısıyla her öbek, başlangıçtaki çiftlerimizden \(n\) tanesini oluşturan \(2n\) taş içerir. Her çiftin ağırlığı \(4n+1\) olduğundan iki öbeğin de toplam ağırlığı \[ n(4n+1) \] olur. İstenen iki koşul da sağlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2020 · Problema 3
Hay \(4n\) piedritas de pesos \(1,2,3,\ldots,4n\). Cada piedrita se colorea de uno de \(n\) colores de manera que hay cuatro piedritas de cada color. Demuestre que podemos colocar las piedritas en dos montones de tal forma que las siguientes dos condiciones se satisfacen:
- Los pesos totales de ambos montones son iguales.
- Cada montón contiene dos piedritas de cada color.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Dividamos las piedritas en los \(2n\) pares \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] donde los números representan los pesos. Cada par tiene peso total \(4n+1\). Asignaremos cada par completo a un montón.
Construyamos un multigrafo cuyos vértices sean los \(n\) colores. Cada par determina una arista que une los colores de sus dos piedritas. Se permiten aristas múltiples, y un par del mismo color determina un lazo. Contando cada lazo dos veces al calcular el grado, todos los vértices tienen grado \(4\), porque hay cuatro piedritas de cada color.
Consideremos una componente conexa cualquiera con \(v\) vértices. La suma de sus grados es \(4v\), de modo que tiene \(2v\) aristas; en particular, su número de aristas es par.
Además, esta componente tiene un circuito euleriano: un recorrido cerrado que utiliza cada arista exactamente una vez. Demostremos este hecho. Partimos de un vértice cualquiera y seguimos aristas no utilizadas hasta que no quede ninguna disponible. Como todos los grados son pares, el recorrido solo puede terminar en el vértice de partida. Al eliminar las aristas de este recorrido cerrado, quedan grados pares en todos los vértices. Si quedan aristas sin utilizar, la conexidad garantiza que algún vértice del recorrido es incidente con una arista no utilizada. Partiendo de él, construimos otro recorrido cerrado de aristas no utilizadas y lo insertamos en el primer recorrido. Al repetir este procedimiento, obtenemos finalmente el circuito euleriano buscado.
Etiquetemos las aristas de este circuito alternadamente con \(A,B,A,B,\ldots\). Su longitud es par, así que la última arista y la primera también tienen etiquetas diferentes.
En cada vértice, emparejemos cada incidencia de una arista de llegada con la incidencia de la arista de salida que la sigue inmediatamente en el circuito, considerando este de manera cíclica. Estos pares forman una partición de las cuatro incidencias de ese vértice, y cada par contiene una incidencia etiquetada con \(A\) y otra etiquetada con \(B\). Así, cada vértice tiene exactamente dos incidencias de cada etiqueta. Esto incluye los lazos, cuyas dos incidencias corresponden a sus dos piedritas.
Hagamos esto de manera independiente en cada componente conexa. Ahora coloquemos las dos piedritas de cada arista etiquetada con \(A\) en el primer montón, y las dos piedritas de cada arista etiquetada con \(B\) en el segundo montón.
El recuento de incidencias muestra que cada montón contiene exactamente dos piedritas de cada color. En consecuencia, cada montón contiene \(2n\) piedritas, que forman \(n\) de nuestros pares originales. Como cada par pesa \(4n+1\), ambos montones tienen peso total \[ n(4n+1). \] Se cumplen las dos condiciones requeridas.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2020 · 问题 3
有 \(4n\) 枚小石子, 重量分别为 \(1,2,3,\ldots,4n\). 每一枚小石子都染了 \(n\) 种颜色之一, 使得每种颜色的小石子恰有四枚. 证明: 我们可以把这些小石子分成两堆, 同时满足以下两个条件:
- 两堆小石子有相同的总重量;
- 每一堆恰有每种颜色的小石子各两枚.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
将小石子分成以下 \(2n\) 对: \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] 其中数字表示重量。每一对的总重量都是 \(4n+1\)。我们将把每一对的两枚小石子一同放入某一堆。
构造一个以这 \(n\) 种颜色为顶点的多重图。每一对小石子对应一条边,连接这两枚小石子的颜色所对应的顶点。允许重边,而两枚小石子颜色相同的一对则对应一个自环。计算度数时,每个自环计两次;由于每种颜色都有四枚小石子,每个顶点的度数都是 \(4\)。
考虑任意一个有 \(v\) 个顶点的连通分支。它的度数之和为 \(4v\),所以它有 \(2v\) 条边;特别地,它的边数是偶数。
此外,这个连通分支有一条欧拉回路,即一条恰好经过每条边一次的闭迹。下面证明这一事实。从任意一个顶点出发,沿尚未使用的边行进,直到没有可用的边为止。由于所有顶点的度数都是偶数,这条迹只能在起始顶点处终止。删去这条闭迹的边后,每个顶点剩余的度数仍为偶数。如果还有未使用的边,由连通性可知,迹上必有某个顶点与一条未使用的边关联。从该顶点出发,用未使用的边构造另一条闭迹,并将其插入第一条迹。重复这一过程,最终便得到所需的欧拉回路。
沿这条回路,将边依次交替标记为 \(A,B,A,B,\ldots\)。回路的长度是偶数,所以最后一条边与第一条边的标记也不同。
在每个顶点处,将每个进入该顶点的边端与回路中紧接着离开该顶点的边端配成一对,并把回路看作循环的。这些配对将该顶点处的四个边端分组,每一对都包含一个标记为 \(A\) 的边端和一个标记为 \(B\) 的边端。因此,每个顶点处恰有两个边端带有每一种标记。这也包括自环,其两个边端对应于它的两枚小石子。
在每个连通分支中独立进行上述操作。现在,将每条标记为 \(A\) 的边所对应的两枚小石子放入第一堆,将每条标记为 \(B\) 的边所对应的两枚小石子放入第二堆。
对边端的计数表明,每一堆都恰好包含每种颜色的两枚小石子。因此,每一堆包含 \(2n\) 枚小石子,组成最初所配成的 \(n\) 对。由于每一对的重量都是 \(4n+1\),两堆的总重量均为 \[ n(4n+1). \] 所需的两个条件均成立。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2020 · Задача 3
Имеется \(4n\) камушков массами \(1,2,3,\ldots,4n\). Каждый из камушков покрашен в один из \(n\) цветов, причём имеется по 4 камушка каждого цвета. Докажите, что камушки можно разделить на две кучи равного суммарного веса так, чтобы в каждой куче было по два камушка каждого цвета.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Разобьём камушки на \(2n\) пар \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] где числа обозначают веса. Суммарный вес каждой пары равен \(4n+1\). Каждую пару мы целиком отнесём в одну кучу.
Построим мультиграф, вершинами которого служат \(n\) цветов. Каждой паре соответствует ребро, соединяющее цвета двух её камушков. Допускаются кратные рёбра, а паре камушков одного цвета соответствует петля. Если каждую петлю учитывать в степени дважды, то степень каждой вершины равна \(4\), поскольку камушков каждого цвета четыре.
Рассмотрим любую компоненту связности с \(v\) вершинами. Сумма её степеней равна \(4v\), поэтому в ней \(2v\) рёбер; в частности, число её рёбер чётно.
Кроме того, в этой компоненте существует эйлеров цикл: замкнутый маршрут, проходящий по каждому ребру ровно один раз. Докажем этот факт. Начнём в любой вершине и будем идти по ещё не использованным рёбрам, пока таких рёбер не останется. Поскольку все степени чётны, маршрут может закончиться только в начальной вершине. После удаления рёбер этого замкнутого маршрута степени всех вершин остаются чётными. Если остались неиспользованные рёбра, то в силу связности некоторая вершина маршрута инцидентна неиспользованному ребру. Начав в ней, построим ещё один замкнутый маршрут из неиспользованных рёбер и вставим его в первый маршрут. Повторяя эту процедуру, в конце концов получим искомый эйлеров цикл.
Пометим рёбра этого цикла поочерёдно \(A,B,A,B,\ldots\). Его длина чётна, поэтому последнее и первое рёбра также имеют разные метки.
В каждой вершине объединим в пары каждое вхождение входящего ребра и вхождение выходящего ребра, непосредственно следующее за ним в цикле, рассматривая цикл циклически. Эти пары разбивают четыре вхождения рёбер в данной вершине, и в каждой паре одно вхождение помечено \(A\), а другое — \(B\). Таким образом, в каждой вершине имеется ровно по два вхождения с каждой меткой. Это относится и к петлям, два вхождения которых соответствуют двум их камушкам.
Проделаем это независимо в каждой компоненте связности. Теперь положим оба камушка каждого ребра с меткой \(A\) в первую кучу, а оба камушка каждого ребра с меткой \(B\) — во вторую.
Подсчёт вхождений показывает, что каждая куча содержит ровно два камушка каждого цвета. Следовательно, в каждой куче \(2n\) камушков, образующих \(n\) исходных пар. Поскольку каждая пара весит \(4n+1\), суммарный вес каждой из двух куч равен \[ n(4n+1). \] Оба требуемых условия выполнены.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2020 · المسألة 3
هناك \(4n\) من الحصى أوزانها \(1,2,3,\ldots,4n\). كل حصاة ملونة بلون من \(n\) من الألوان وهناك \(4\) من الحصى لكل لون. أثبت أنه يمكننا ترتيب الحصى إلى كومتين بحيث يتحقق الشرطان التاليان معاً:
- الوزن الكلي لكل من الكومتين متساو.
- كل كومة تحتوي حصاتين من كل لون.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نقسم الحصى إلى الأزواج الـ\(2n\) التالية \[ \{1,4n\},\ \{2,4n-1\},\ \ldots,\ \{2n,2n+1\}, \] حيث تدل الأعداد على الأوزان. مجموع وزني حصاتي كل زوج هو \(4n+1\). سنضع كل زوج بكامله في إحدى الكومتين.
ننشئ رسما بيانيا متعدد الحواف رؤوسه هي الألوان الـ\(n\). يعطي كل زوج حافة تصل بين لوني حصاتيه. يسمح بتعدد الحواف، ويعطي الزوج الذي له اللون نفسه حلقة. وباحتساب الحلقة مرتين في الدرجة، تكون درجة كل رأس \(4\)، لأن هناك أربع حصيات من كل لون.
لننظر في أي مكون متصل ذي \(v\) رؤوس. مجموع درجاته هو \(4v\)، ومن ثم له \(2v\) حافة؛ وبوجه خاص، عدد حوافه زوجي.
وفضلا عن ذلك، لهذا المكون دورة أويلرية: مسار مغلق يمر بكل حافة مرة واحدة بالضبط. وفيما يلي برهان هذه الحقيقة. نبدأ من أي رأس ونتبع الحواف غير المستعملة حتى لا تتاح حافة أخرى. بما أن جميع الدرجات زوجية، فلا يمكن أن يتوقف المسار إلا عند رأس بدايته. وتترك إزالة حواف هذا المسار المغلق درجات زوجية عند كل رأس. إذا بقيت حواف غير مستعملة، فإن الاتصال يضمن أن أحد رؤوس المسار يتصل بحافة غير مستعملة. نبدأ من ذلك الرأس، وننشئ مسارا مغلقا آخر من حواف غير مستعملة، وندخله في المسار الأول. وبالتكرار نحصل في النهاية على الدورة الأويلرية المطلوبة.
نوسم حواف هذه الدورة بالتناوب \(A,B,A,B,\ldots\). طولها زوجي، ولذلك تحمل الحافتان الأخيرة والأولى وسمين مختلفين أيضا.
عند كل رأس، نقرن كل وقوع لحافة داخلة بوقوع الحافة الخارجة التي تليها مباشرة في الدورة، مع التعامل مع الدورة على نحو دوري. تقسم هذه الأزواج الوقوعات الأربعة عند ذلك الرأس، ويحتوي كل زوج على وقوع موسوم بـ\(A\) وآخر موسوم بـ\(B\). وهكذا يكون لكل رأس وقوعان بالضبط من كل وسم. ويشمل ذلك الحلقات، التي يقابل وقوعا كل منها حصاتيها.
نفعل ذلك على نحو مستقل في كل مكون متصل. والآن نضع حصاتي كل حافة موسومة بـ\(A\) في الكومة الأولى، وحصاتي كل حافة موسومة بـ\(B\) في الكومة الثانية.
يبين عد الوقوعات أن كل كومة تحتوي على حصاتين بالضبط من كل لون. وبالتالي، تحتوي كل كومة على \(2n\) حصاة، تشكل \(n\) من أزواجنا الأصلية. وبما أن وزن كل زوج هو \(4n+1\)، فإن الوزن الكلي لكلتا الكومتين هو \[ n(4n+1). \] يتحقق كلا الشرطين المطلوبين.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.