IMO 2020 · Problem 4
There is an integer \(n>1\). There are \(n^2\) stations on a slope of a mountain, all at different altitudes. Each of two cable car companies, \(A\) and \(B\), operates \(k\) cable cars; each cable car provides a transfer from one of the stations to a higher one (with no intermediate stops). The \(k\) cable cars of \(A\) have \(k\) different starting points and \(k\) different finishing points, and a cable car which starts higher also finishes higher. The same conditions hold for \(B\). We say that two stations are linked by a company if one can start from the lower station and reach the higher one by using one or more cars of that company (no other movements between stations are allowed).
Determine the smallest positive integer \(k\) for which one can guarantee that there are two stations that are linked by both companies.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
Solution
For either company, at most one cable car starts at each station, and at most one finishes there. Moreover, every cable car goes strictly uphill. Therefore, that company’s cars partition the stations into disjoint directed paths, including isolated stations as paths with one station.
Indeed, from any station, follow incoming cars backwards until reaching a station with no incoming car, and then follow outgoing cars forwards until reaching a station with no outgoing car. Both procedures terminate because altitudes strictly decrease or increase. The uniqueness of incoming and outgoing cars ensures that any two such paths either coincide or are disjoint.
A path containing \(t\) stations has \(t-1\) cars. Thus, if a company has \(m\) paths, then \[ k=n^2-m, \qquad\text{so}\qquad m=n^2-k. \] Any two distinct stations on one path are linked by that company.
The proposed value guarantees a common linked pair. Suppose \[ k=n^2-n+1. \] Each company then has exactly \(n-1\) paths. Assign to each station the ordered pair consisting of its \(A\)-path and its \(B\)-path. There are only \[ (n-1)^2<n^2 \] possible ordered pairs. By the pigeonhole principle, two distinct stations have the same pair. They lie on the same path for each company, so they are linked by both.
One fewer car does not suffice. Label the stations \(1,2,\ldots,n^2\) in increasing order of altitude. Give company \(A\) the cars \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] and give company \(B\) the cars \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] Each company has exactly \(n(n-1)=n^2-n\) cars.
These arrangements satisfy all the required conditions. Every car goes uphill, and each company has distinct starting points and distinct finishing points. For \(A\), the finishing label is always the starting label plus \(n\); for \(B\), it is always the starting label plus \(1\). Hence a car starting higher also finishes higher.
Any two stations linked by \(A\) have labels congruent modulo \(n\). Meanwhile, every journey using \(B\) remains within one of the blocks \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] Two distinct labels in the same block differ by an integer between \(1\) and \(n-1\), so they cannot be congruent modulo \(n\). Consequently, no two stations are linked by both companies.
For any smaller positive \(k\), retain any \(k\) cars of each company in this construction. Deleting cars preserves all the required conditions and cannot create a linked pair. Thus no smaller positive value guarantees the desired conclusion, proving the answer.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2020 · Aufgabe 4
Es sei \(n>1\) eine ganze Zahl. An einem Berghang befinden sich \(n^2\) Stationen, alle auf unterschiedlichen Höhen. Zwei Seilbahngesellschaften \(A\) und \(B\) betreiben jeweils \(k\) Seilbahnen; jede Seilbahn führt von einer der Stationen zu einer höhergelegenen (ohne Zwischenhalt). Die \(k\) Seilbahnen von \(A\) beginnen an \(k\) verschiedenen Punkten und enden an \(k\) verschiedenen Punkten, und wenn eine Seilbahn an einem höheren Punkt beginnt als eine andere, dann endet sie auch an einem höheren Punkt. Dieselben Bedingungen gelten auch für \(B\). Wir sagen, dass zwei Stationen von einer Gesellschaft verbunden werden, wenn man von der niedrigeren Station ausgehend die höhere Station durch Fahrten mit einer oder mehreren Seilbahnen dieser Gesellschaft erreichen kann (keine anderen Bewegungen zwischen Stationen sind erlaubt).
Man bestimme die kleinste positive ganze Zahl \(k\), für die man garantieren kann, dass es zwei Stationen gibt, die von beiden Gesellschaften verbunden werden.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
Lösung
Für jede der beiden Gesellschaften beginnt an jeder Station höchstens eine Seilbahn, und höchstens eine endet dort. Außerdem führt jede Seilbahn streng bergauf. Daher zerlegen die Seilbahnen dieser Gesellschaft die Stationen in disjunkte gerichtete Pfade, wobei isolierte Stationen als Pfade mit einer Station eingeschlossen sind.
Tatsächlich kann man von jeder Station aus den ankommenden Seilbahnen rückwärts folgen, bis man eine Station ohne ankommende Seilbahn erreicht, und dann den abgehenden Seilbahnen vorwärts folgen, bis man eine Station ohne abgehende Seilbahn erreicht. Beide Verfahren enden, weil die Höhen streng abnehmen beziehungsweise zunehmen. Die Eindeutigkeit der ankommenden und abgehenden Seilbahnen stellt sicher, dass zwei solche Pfade entweder übereinstimmen oder disjunkt sind.
Ein Pfad mit \(t\) Stationen hat \(t-1\) Seilbahnen. Hat eine Gesellschaft also \(m\) Pfade, so gilt \[ k=n^2-m, \qquad\text{also}\qquad m=n^2-k. \] Je zwei verschiedene Stationen auf einem Pfad werden von dieser Gesellschaft verbunden.
Der vorgeschlagene Wert garantiert ein von beiden Gesellschaften verbundenes Stationspaar. Es gelte \[ k=n^2-n+1. \] Jede Gesellschaft hat dann genau \(n-1\) Pfade. Ordne jeder Station das geordnete Paar zu, das aus ihrem \(A\)-Pfad und ihrem \(B\)-Pfad besteht. Es gibt nur \[ (n-1)^2<n^2 \] mögliche geordnete Paare. Nach dem Schubfachprinzip haben zwei verschiedene Stationen dasselbe Paar. Sie liegen für jede Gesellschaft auf demselben Pfad, werden also von beiden verbunden.
Eine Seilbahn weniger genügt nicht. Nummeriere die Stationen in aufsteigender Reihenfolge ihrer Höhen mit \(1,2,\ldots,n^2\). Gib der Gesellschaft \(A\) die Seilbahnen \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] und der Gesellschaft \(B\) die Seilbahnen \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] Jede Gesellschaft hat genau \(n(n-1)=n^2-n\) Seilbahnen.
Diese Anordnungen erfüllen alle geforderten Bedingungen. Jede Seilbahn führt bergauf, und jede Gesellschaft hat verschiedene Anfangspunkte und verschiedene Endpunkte. Bei \(A\) ist die Nummer des Endpunkts stets die Nummer des Anfangspunkts plus \(n\); bei \(B\) ist sie stets die Nummer des Anfangspunkts plus \(1\). Daher endet eine Seilbahn, die höher beginnt, auch höher.
Je zwei von \(A\) verbundene Stationen haben modulo \(n\) kongruente Nummern. Dagegen bleibt jede Fahrt mit \(B\) innerhalb eines der Blöcke \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] Zwei verschiedene Nummern im selben Block unterscheiden sich um eine ganze Zahl zwischen \(1\) und \(n-1\), können also nicht modulo \(n\) kongruent sein. Folglich werden keine zwei Stationen von beiden Gesellschaften verbunden.
Für jedes kleinere positive \(k\) behalte in dieser Konstruktion beliebige \(k\) Seilbahnen jeder Gesellschaft bei. Das Entfernen von Seilbahnen erhält alle geforderten Bedingungen und kann kein verbundenes Stationspaar erzeugen. Somit garantiert kein kleinerer positiver Wert die gewünschte Schlussfolgerung, womit die Antwort bewiesen ist.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2020 · Soru 4
Bir \(n>1\) tam sayısı verilmiştir. Bir dağın yamacında farklı yüksekliklerde \(n^2\) istasyon bulunmaktadır. \(A\) ve \(B\) teleferik şirketlerinin her biri \(k\) teleferik seferi düzenlemektedir. Her teleferik seferi bir istasyondan başlayıp daha yüksekte bulunan başka bir istasyona aradaki hiçbir istasyonda durmadan yapılmaktadır. \(A\) şirketinin \(k\) seferinin başlangıç istasyonları birbirinden farklıdır. \(A\) şirketinin \(k\) seferinin bitiş istasyonları birbirinden farklıdır. \(A\) şirketinin iki teleferik seferinden başlangıç istasyonu daha yüksekte olanın bitiş istasyonu da daha yüksektedir. Aynı koşullar \(B\) şirketi için de sağlanmaktadır. İki istasyondan alçakta olandan yüksekte olana, aynı şirketin bir veya birden fazla seferi kullanılarak ulaşılabiliyorsa, bu iki istasyona o şirketle bağlı diyelim.
Hem \(A\) şirketiyle bağlı hem de \(B\) şirketiyle bağlı olan iki istasyonun bulunmasını garanti eden en küçük \(k\) pozitif tam sayısını belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
Çözüm
Her bir şirket için, her istasyonda en fazla bir teleferik seferi başlar ve en fazla bir teleferik seferi biter. Ayrıca her teleferik seferi kesin olarak yukarı yönde ilerler. Dolayısıyla o şirketin seferleri, tek istasyonlu yollar olarak ele alınan yalıtılmış istasyonlar da dahil olmak üzere, istasyonları ayrık yönlü yollara ayırır.
Gerçekten de herhangi bir istasyondan başlayarak, gelen seferleri geriye doğru izleyip hiçbir seferin gelmediği bir istasyona ulaşalım; ardından giden seferleri ileriye doğru izleyip hiçbir seferin gitmediği bir istasyona ulaşalım. Yükseklikler kesin olarak azaldığı veya arttığı için her iki işlem de sona erer. Gelen ve giden seferlerin tekliği, bu şekilde elde edilen herhangi iki yolun ya çakışmasını ya da ayrık olmasını sağlar.
\(t\) istasyon içeren bir yolda \(t-1\) sefer vardır. Dolayısıyla bir şirketin \(m\) yolu varsa \[ k=n^2-m, \qquad\text{dolayısıyla}\qquad m=n^2-k \] olur. Aynı yol üzerindeki herhangi iki farklı istasyon o şirketle bağlıdır.
Önerilen değer, her iki şirketle de bağlı bir çiftin varlığını garanti eder. \[ k=n^2-n+1 \] olduğunu varsayalım. Bu durumda her şirketin tam olarak \(n-1\) yolu vardır. Her istasyona, içinde bulunduğu \(A\)-yolu ve \(B\)-yolundan oluşan sıralı ikiliyi atayalım. Olası sıralı ikililerin sayısı yalnızca \[ (n-1)^2<n^2 \] kadardır. Güvercin yuvası ilkesine göre iki farklı istasyona aynı ikili atanır. Bu istasyonlar her şirket için aynı yol üzerinde yer alır, dolayısıyla her iki şirketle de bağlıdır.
Bir eksik sefer yeterli değildir. İstasyonları artan yükseklik sırasıyla \(1,2,\ldots,n^2\) olarak etiketleyelim. \(A\) şirketine \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] seferlerini, \(B\) şirketine ise \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1) \] seferlerini verelim. Her şirketin tam olarak \(n(n-1)=n^2-n\) seferi vardır.
Bu düzenlemeler istenen tüm koşulları sağlar. Her sefer yukarı yönde ilerler ve her şirketin başlangıç istasyonları da bitiş istasyonları da birbirinden farklıdır. \(A\) için bitiş etiketi her zaman başlangıç etiketinin \(n\) fazlasıdır; \(B\) için ise her zaman başlangıç etiketinin \(1\) fazlasıdır. Dolayısıyla daha yüksekte başlayan bir sefer daha yüksekte biter.
\(A\) ile bağlı herhangi iki istasyonun etiketleri modül \(n\) de denktir. Öte yandan \(B\) kullanılarak yapılan her yolculuk \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1 \] bloklarından birinin içinde kalır. Aynı bloktaki iki farklı etiketin farkı \(1\) ile \(n-1\) arasında bir tam sayı olduğundan bu etiketler modül \(n\) de denk olamaz. Dolayısıyla hiçbir iki istasyon her iki şirketle de bağlı değildir.
Daha küçük herhangi bir pozitif \(k\) için, bu inşada her şirketin herhangi \(k\) seferini tutalım. Seferleri silmek istenen tüm koşulları korur ve yeni bir bağlı çift oluşturamaz. Dolayısıyla daha küçük hiçbir pozitif değer istenen sonucu garanti etmez; böylece cevap kanıtlanmış olur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2020 · Problema 4
Sea \(n>1\) un entero. A lo largo de la pendiente de una montaña hay \(n^2\) estaciones, todas a diferentes altitudes. Dos compañías de teleférico, \(A\) y \(B\), operan \(k\) teleféricos cada una. Cada teleférico realiza el servicio desde una estación a otra de mayor altitud (sin paradas intermedias). Los teleféricos de la compañía \(A\) parten de \(k\) estaciones diferentes y acaban en \(k\) estaciones diferentes; igualmente, si un teleférico parte de una estación más alta que la de otro, también acaba en una estación más alta que la del otro. La compañía \(B\) satisface las mismas condiciones. Decimos que dos estaciones están unidas por una compañía si uno puede comenzar por la más baja y llegar a la más alta con uno o más teleféricos de esa compañía (no se permite otro tipo de movimientos entre estaciones).
Determine el menor entero positivo \(k\) para el cual se puede garantizar que hay dos estaciones unidas por ambas compañías.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
Solución
Para cada compañía, de cada estación parte a lo sumo un teleférico, y en ella termina a lo sumo uno. Además, todos los teleféricos van estrictamente cuesta arriba. Por tanto, los teleféricos de cada compañía dividen las estaciones en caminos dirigidos disjuntos, incluyendo las estaciones aisladas como caminos de una sola estación.
En efecto, desde cualquier estación, seguimos los teleféricos entrantes hacia atrás hasta llegar a una estación sin teleférico entrante, y después seguimos los teleféricos salientes hacia delante hasta llegar a una estación sin teleférico saliente. Ambos procedimientos terminan porque las altitudes disminuyen o aumentan estrictamente. La unicidad de los teleféricos entrantes y salientes garantiza que dos cualesquiera de estos caminos coinciden o son disjuntos.
Un camino que contiene \(t\) estaciones tiene \(t-1\) teleféricos. Así pues, si una compañía tiene \(m\) caminos, entonces \[ k=n^2-m, \qquad\text{por lo que}\qquad m=n^2-k. \] Dos estaciones distintas cualesquiera de un mismo camino están unidas por esa compañía.
El valor propuesto garantiza un par de estaciones unidas por ambas compañías. Supongamos que \[ k=n^2-n+1. \] Cada compañía tiene entonces exactamente \(n-1\) caminos. Asignemos a cada estación el par ordenado formado por su camino de \(A\) y su camino de \(B\). Solo hay \[ (n-1)^2<n^2 \] pares ordenados posibles. Por el principio del palomar, dos estaciones distintas tienen el mismo par. Pertenecen al mismo camino de cada compañía, por lo que están unidas por ambas.
Un teleférico menos no basta. Etiquetemos las estaciones con \(1,2,\ldots,n^2\) en orden creciente de altitud. Asignemos a la compañía \(A\) los teleféricos \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] y a la compañía \(B\) los teleféricos \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] Cada compañía tiene exactamente \(n(n-1)=n^2-n\) teleféricos.
Estas disposiciones satisfacen todas las condiciones requeridas. Todos los teleféricos van cuesta arriba, y cada compañía tiene puntos de partida distintos y puntos de llegada distintos. Para \(A\), la etiqueta de llegada es siempre la etiqueta de partida más \(n\); para \(B\), es siempre la etiqueta de partida más \(1\). Por tanto, un teleférico que parte de una estación más alta también termina en una estación más alta.
Dos estaciones cualesquiera unidas por \(A\) tienen etiquetas congruentes módulo \(n\). Por otra parte, todo trayecto que utiliza \(B\) permanece dentro de uno de los bloques \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] Dos etiquetas distintas de un mismo bloque difieren en un entero entre \(1\) y \(n-1\), por lo que no pueden ser congruentes módulo \(n\). En consecuencia, no hay dos estaciones unidas por ambas compañías.
Para cualquier \(k\) positivo menor, conservemos \(k\) teleféricos cualesquiera de cada compañía en esta construcción. Eliminar teleféricos preserva todas las condiciones requeridas y no puede crear un par de estaciones unidas. Así pues, ningún valor positivo menor garantiza la conclusión deseada, lo que demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2020 · 问题 4
给定整数 \(n>1\). 在一座山上有 \(n^2\) 个高度互不相同的缆车车站. 有两家缆车公司 \(A\) 和 \(B\), 各运营 \(k\) 辆缆车; 每辆从一个车站运行到某个更高的车站 (中间不停留其他车站). \(A\) 公司的 \(k\) 辆缆车的 \(k\) 个起点互不相同, \(k\) 个终点也互不相同, 并且起点较高的缆车, 它的终点也较高. \(B\) 公司的缆车也满足相同的条件. 我们称两个车站被某个公司连接, 如果可以从其中较低的车站通过该公司的一辆或多辆缆车到达较高的车站 (中间不允许在车站之间有其他移动).
确定最小的正整数 \(k\), 使得一定有两个车站被两个公司同时连接.
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
解答
对任意一家公司,每个车站至多有一辆缆车从这里出发,也至多有一辆缆车到达这里。此外,每辆缆车都严格向高处运行。因此,该公司的缆车将所有车站划分成若干条互不相交的有向路径,其中也包括将孤立车站视为只含一个车站的路径。
事实上,从任意一个车站出发,沿到达该站的缆车反向追溯,直到到达一个没有缆车驶入的车站,然后沿驶出的缆车正向行进,直到到达一个没有缆车驶出的车站。由于高度严格下降或上升,这两个过程都会终止。驶入和驶出缆车的唯一性保证了任意两条这样的路径要么重合,要么互不相交。
一条包含 \(t\) 个车站的路径有 \(t-1\) 辆缆车。因此,如果一家公司有 \(m\) 条路径,那么 \[ k=n^2-m, \qquad\text{所以}\qquad m=n^2-k. \] 同一条路径上的任意两个不同车站都被该公司连接。
所提出的值保证存在一对被两家公司同时连接的车站。 设 \[ k=n^2-n+1. \] 此时,每家公司恰有 \(n-1\) 条路径。给每个车站赋予一个有序对,其两个分量分别为该车站所属的 \(A\) 公司的路径和 \(B\) 公司的路径。可能的有序对只有 \[ (n-1)^2<n^2 \] 个。由抽屉原理,两个不同的车站具有相同的有序对。对每家公司而言,它们都位于同一条路径上,因此它们被两家公司同时连接。
少一辆缆车则不足以保证结论。 将车站按高度递增的顺序标记为 \(1,2,\ldots,n^2\)。给公司 \(A\) 安排以下缆车: \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] 给公司 \(B\) 安排以下缆车: \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] 每家公司都恰有 \(n(n-1)=n^2-n\) 辆缆车。
这些安排满足所有要求。每辆缆车都向高处运行,且每家公司的起点互不相同,终点也互不相同。对于 \(A\),终点的编号总是起点的编号加上 \(n\);对于 \(B\),则总是起点的编号加上 \(1\)。因此,起点较高的缆车,其终点也较高。
被 \(A\) 连接的任意两个车站的编号模 \(n\) 同余。同时,使用 \(B\) 的缆车进行的每段行程都始终位于以下某一组内: \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] 同一组内两个不同编号的差的绝对值是介于 \(1\) 与 \(n-1\) 之间的整数,因此它们不可能模 \(n\) 同余。所以,没有两个车站被两家公司同时连接。
对于任意更小的正整数 \(k\),在这一构造中为每家公司任意保留 \(k\) 辆缆车。删去缆车仍保持所有要求成立,而且不可能产生新的一对被连接的车站。因此,没有更小的正整数能够保证所需的结论,答案得证。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2020 · Задача 4
Дано целое число \(n>1\). На горном склоне расположено \(n^2\) фуникулёрных станций на разных высотах. Каждая из двух фуникулёрных компаний \(A\) и \(B\) владеет \(k\) подъёмниками. Каждый подъёмник осуществляет регулярный беспересадочный трансфер с одной из станций на другую, более высоко расположенную станцию. \(k\) трансферов компании \(A\) начинаются на \(k\) различных станциях; также они заканчиваются на \(k\) различных станциях; при этом трансфер, который начинается выше, и заканчивается выше. Те же условия выполнены для компании \(B\). Будем говорить, что две станции связаны фуникулёрной компанией, если можно добраться из нижней станции в верхнюю, используя один или несколько трансферов данной компании (другие перемещения между станциями запрещены). Найдите наименьшее \(k\), при котором заведомо найдутся две станции, связанные обеими компаниями.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
Решение
Для каждой компании на каждой станции начинается не более одного подъёмника и заканчивается не более одного подъёмника. Кроме того, каждый подъёмник ведёт строго вверх. Поэтому подъёмники этой компании разбивают станции на непересекающиеся ориентированные пути, причём изолированные станции считаются путями из одной станции.
Действительно, из любой станции будем двигаться по входящим подъёмникам в обратном направлении, пока не достигнем станции без входящего подъёмника, а затем пойдём по исходящим подъёмникам вперёд, пока не достигнем станции без исходящего подъёмника. Оба процесса заканчиваются, поскольку высоты строго убывают или возрастают. Единственность входящего и исходящего подъёмников гарантирует, что любые два таких пути либо совпадают, либо не пересекаются.
Путь, содержащий \(t\) станций, состоит из \(t-1\) подъёмников. Таким образом, если у компании \(m\) путей, то \[ k=n^2-m, \qquad\text{поэтому}\qquad m=n^2-k. \] Любые две различные станции одного пути связаны этой компанией.
Предложенное значение гарантирует пару станций, связанных обеими компаниями. Пусть \[ k=n^2-n+1. \] Тогда у каждой компании ровно \(n-1\) путей. Каждой станции сопоставим упорядоченную пару, состоящую из проходящего через неё пути компании \(A\) и проходящего через неё пути компании \(B\). Возможных упорядоченных пар всего \[ (n-1)^2<n^2. \] По принципу Дирихле двум различным станциям соответствует одна и та же пара. Они лежат на одном пути каждой компании, поэтому связаны обеими компаниями.
Если подъёмников на один меньше, этого недостаточно. Пронумеруем станции числами \(1,2,\ldots,n^2\) в порядке возрастания высоты. Отдадим компании \(A\) подъёмники \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] а компании \(B\) — подъёмники \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] У каждой компании ровно \(n(n-1)=n^2-n\) подъёмников.
Такое расположение удовлетворяет всем требуемым условиям. Каждый подъёмник ведёт вверх, а у каждой компании начальные станции попарно различны, как и конечные. Для \(A\) номер конечной станции всегда равен номеру начальной плюс \(n\); для \(B\) он всегда равен номеру начальной плюс \(1\). Поэтому подъёмник, начинающийся выше, также заканчивается выше.
Номера любых двух станций, связанных компанией \(A\), сравнимы по модулю \(n\). В то же время любая поездка с использованием подъёмников компании \(B\) остаётся в пределах одного из блоков \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] Два различных номера в одном блоке отличаются на целое число от \(1\) до \(n-1\), поэтому они не могут быть сравнимы по модулю \(n\). Следовательно, никакие две станции не связаны обеими компаниями.
Для любого меньшего положительного \(k\) оставим в этой конструкции любые \(k\) подъёмников каждой компании. Удаление подъёмников сохраняет все требуемые условия и не может создать связанную пару. Таким образом, никакое меньшее положительное значение не гарантирует желаемого вывода, что доказывает ответ.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2020 · المسألة 4
لدينا عدد صحيح \(n>1\). هناك \(n^2\) محطة على سفح جبل بارتفاعات مختلفة. كل من شركتي التلفريك \(A\) و \(B\)، تشغل \(k\) من العربات، وكل عربة تنقل الركاب من إحدى المحطات إلى محطة أعلى منها دون توقف عند محطة وسيطة. الـ \(k\) عربة الخاصة بالشركة \(A\) لها \(k\) نقطة بداية مختلفة و \(k\) نقطة نهاية مختلفة، والعربة التي تبدأ من نقطة أعلى من عربة أخرى تنتهي عند نقطة أعلى منها أيضاً. نفس الشروط تنطبق على الشركة \(B\). يقال لمحطتين بأنهما مرتبطتان عن طريق شركة إذا استطاع الراكب الانتقال من محطة سفلى إلى محطة عليا باستخدام عربة أو أكثر من نفس الشركة (لا يمكن التنقل بين المحطات بوسيلة مواصلات أخرى).
عين أصغر عدد صحيح موجب \(k\) الذي يضمن وجود محطتين مرتبطتين عن طريق كلا الشركتين.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k=n^2-n+1}. \]
الحل
بالنسبة إلى أي من الشركتين، تنطلق من كل محطة عربة تلفريك واحدة على الأكثر، وتنتهي عندها عربة واحدة على الأكثر. وعلاوة على ذلك، تتجه كل عربة تلفريك إلى أعلى تماما. لذلك تقسم عربات تلك الشركة المحطات إلى مسارات موجهة منفصلة، بما فيها المحطات المنفردة بوصفها مسارات ذات محطة واحدة.
بالفعل، من أي محطة، نتتبع العربات الواردة عكس اتجاهها حتى نصل إلى محطة لا ترد إليها أي عربة، ثم نتتبع العربات الصادرة في اتجاهها حتى نصل إلى محطة لا تصدر منها أي عربة. تنتهي كلتا العمليتين لأن الارتفاعات تتناقص أو تتزايد تماما. وتضمن وحدانية العربة الواردة والعربة الصادرة أن أي مسارين من هذا النوع إما أن يتطابقا أو أن يكونا منفصلين (لا يشتركان في أي محطة).
يحتوي المسار الذي يضم \(t\) محطة على \(t-1\) عربة. لذا، إذا كان لدى شركة \(m\) مسارات، فإن \[ k=n^2-m, \qquad\text{ومن ثم}\qquad m=n^2-k. \] أي محطتين مختلفتين على مسار واحد مرتبطتان عن طريق تلك الشركة.
القيمة المقترحة تضمن وجود زوج مرتبط مشترك. لنفترض أن \[ k=n^2-n+1. \] يكون لكل شركة عندئذ \(n-1\) مسارا بالضبط. نربط بكل محطة الزوج المرتب المؤلف من مسارها لدى \(A\) ومسارها لدى \(B\). لا يوجد سوى \[ (n-1)^2<n^2 \] من الأزواج المرتبة الممكنة. بمبدأ الحمام، يوجد محطتان مختلفتان لهما الزوج نفسه. تقعان على المسار نفسه لدى كل شركة، ومن ثم فهما مرتبطتان عن طريق كلتيهما.
لا تكفي عربة واحدة أقل. نرقم المحطات بـ\(1,2,\ldots,n^2\) حسب ترتيب ارتفاعاتها تصاعديا. نعطي الشركة \(A\) العربات \[ i\longrightarrow i+n \qquad (1\le i\le n^2-n), \] ونعطي الشركة \(B\) العربات \[ jn+r\longrightarrow jn+r+1 \qquad (0\le j\le n-1,\quad 1\le r\le n-1). \] لدى كل شركة \(n(n-1)=n^2-n\) عربة بالضبط.
تحقق هذه الترتيبات جميع الشروط المطلوبة. تتجه كل عربة إلى أعلى، ولكل شركة نقاط بداية مختلفة ونقاط نهاية مختلفة. بالنسبة إلى \(A\)، يساوي رقم النهاية دائما رقم البداية مضافا إليه \(n\)؛ وبالنسبة إلى \(B\)، يساوي دائما رقم البداية مضافا إليه \(1\). ومن ثم فإن العربة التي تبدأ من موضع أعلى تنتهي أيضا في موضع أعلى.
أي محطتين مرتبطتين عن طريق \(A\) لهما رقمان متطابقان بترديد \(n\). وفي الوقت نفسه، تظل كل رحلة باستخدام \(B\) داخل إحدى الكتل \[ \{jn+1,jn+2,\ldots,jn+n\}, \qquad 0\le j\le n-1. \] الفرق بين أي رقمين مختلفين في الكتلة نفسها عدد صحيح بين \(1\) و\(n-1\)، ولذلك لا يمكن أن يكونا متطابقين بترديد \(n\). وبالتالي، لا توجد محطتان مرتبطتان عن طريق كلتا الشركتين.
لأي \(k\) موجب أصغر، نحتفظ بأي \(k\) عربة لكل شركة في هذا الإنشاء. يحافظ حذف العربات على جميع الشروط المطلوبة ولا يمكنه إنشاء زوج مرتبط. إذن لا تضمن أي قيمة موجبة أصغر النتيجة المطلوبة، مما يثبت الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.