IMO 2021 · Problem 5
Two squirrels, Bushy and Jumpy, have collected 2021 walnuts for the winter. Jumpy numbers the walnuts from 1 through 2021, and digs 2021 little holes in a circular pattern in the ground around their favourite tree. The next morning Jumpy notices that Bushy had placed one walnut into each hole, but had paid no attention to the numbering. Unhappy, Jumpy decides to reorder the walnuts by performing a sequence of 2021 moves. In the \(k\)-th move, Jumpy swaps the positions of the two walnuts adjacent to walnut \(k\).
Prove that there exists a value of \(k\) such that, on the \(k\)-th move, Jumpy swaps some walnuts \(a\) and \(b\) such that \(a<k<b\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Suppose, for a contradiction, that no such move exists. Thus, immediately before each move \(k\), the two neighbours of walnut \(k\) either both have numbers smaller than \(k\), or both have numbers greater than \(k\).
Initially colour all walnuts white. After each move \(k\), recolour walnut \(k\) black. Consequently, immediately before move \(k\), precisely the walnuts numbered \(1,\ldots,k-1\) are black.
Let \(D\) denote the number of pairs of adjacent holes containing walnuts of different colours. Initially \(D=0\), and after all 2021 moves and recolourings, \(D=0\) again, since all walnuts are then black.
Consider move \(k\) together with its subsequent recolouring. By our assumption, the two walnuts being swapped have the same colour. Their exchange therefore leaves the colour in every hole unchanged, so it does not change \(D\). Walnut \(k\), which is still white, is then recoloured black. There are two cases:
- If its two neighbours are white, the two adjacent pairs involving walnut \(k\) both change from having equal colours to having different colours. Thus \(D\) increases by \(2\).
- If its two neighbours are black, those two pairs both change from having different colours to having equal colours. Thus \(D\) decreases by \(2\).
All other adjacent pairs remain unchanged. Hence each of the 2021 moves and recolourings changes \(D\) by exactly \(+2\) or \(-2\).
Since \(D\) starts and ends at zero, the number of increases must equal the number of decreases. The total number of moves must therefore be even, contradicting the fact that it is 2021.
Thus some move \(k\) swaps a walnut numbered below \(k\) with one numbered above \(k\), as required. \(\square\)
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2021 · Aufgabe 5
Die beiden Eichhörnchen Buschi und Hoppi haben 2021 Walnüsse für den Winter gesammelt. Hoppi nummeriert die Walnüsse von 1 bis 2021 und gräbt 2021 kleine Löcher in den Boden entlang eines Kreises um ihren Lieblingsbaum. Am nächsten Morgen bemerkt Hoppi, dass Buschi in jedes Loch eine Walnuss gelegt hat, aber ohne die Nummerierung zu beachten. Verstimmt beschließt Hoppi, die Walnüsse umzuordnen, und führt dazu eine Folge von 2021 Zügen aus. Im \(k\)-ten Zug vertauscht Hoppi die Positionen der beiden Walnüsse, die direkt neben Walnuss \(k\) liegen. Man beweise, dass es eine ganze Zahl \(k\) derart gibt, dass Hoppi im \(k\)-ten Zug zwei Walnüsse \(a\) und \(b\) mit \(a<k<b\) vertauscht.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Nehmen wir zum Widerspruch an, dass es keinen solchen Zug gibt. Dann haben unmittelbar vor jedem Zug \(k\) die beiden Nachbarn der Walnuss \(k\) entweder beide Nummern kleiner als \(k\) oder beide Nummern größer als \(k\).
Zu Beginn färben wir alle Walnüsse weiß. Nach jedem Zug \(k\) färben wir die Walnuss \(k\) schwarz. Folglich sind unmittelbar vor Zug \(k\) genau die Walnüsse mit den Nummern \(1,\ldots,k-1\) schwarz.
Sei \(D\) die Anzahl der Paare benachbarter Löcher, die Walnüsse verschiedener Farben enthalten. Zu Beginn gilt \(D=0\), und nach allen 2021 Zügen und Umfärbungen gilt wieder \(D=0\), da dann alle Walnüsse schwarz sind.
Betrachten wir Zug \(k\) zusammen mit der anschließenden Umfärbung. Nach unserer Annahme haben die beiden vertauschten Walnüsse dieselbe Farbe. Ihr Austausch lässt daher die Farbe in jedem Loch unverändert und ändert somit \(D\) nicht. Anschließend wird die noch weiße Walnuss \(k\) schwarz gefärbt. Es gibt zwei Fälle:
- Sind ihre beiden Nachbarn weiß, so wechseln die beiden benachbarten Paare, zu denen die Walnuss \(k\) gehört, jeweils von gleichen zu verschiedenen Farben. Daher erhöht sich \(D\) um \(2\).
- Sind ihre beiden Nachbarn schwarz, so wechseln diese beiden Paare jeweils von verschiedenen zu gleichen Farben. Daher verringert sich \(D\) um \(2\).
Alle anderen benachbarten Paare bleiben unverändert. Somit ändert jeder der 2021 Züge zusammen mit seiner Umfärbung \(D\) um genau \(+2\) oder \(-2\).
Da \(D\) zu Beginn und am Ende null ist, muss die Anzahl der Erhöhungen gleich der Anzahl der Verringerungen sein. Die Gesamtzahl der Züge muss daher gerade sein, im Widerspruch dazu, dass sie 2021 beträgt.
Also wird in einem Zug \(k\) eine Walnuss mit einer Nummer kleiner als \(k\) mit einer Walnuss mit einer Nummer größer als \(k\) vertauscht, wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2021 · Soru 5
Tüylü ve Zıplak isimli iki sincap kış için 2021 tane ceviz toplamıştır. Zıplak, cevizleri 1 den 2021 e kadar olan sayılarla numaralandırıyor ve en sevdikleri ağacın etrafında çembersel bir düzende 2021 tane küçük delik açıyor. Ertesi sabah Zıplak, Tüylü’nün her deliğe bir ceviz yerleştirdiğini, fakat yerleştirirken cevizlerin numaralarına hiç dikkat etmediğini fark ediyor. Bundan mutsuz olan Zıplak, 2021 hamleden oluşan bir hamleler dizisi uygulayarak cevizlerin yerlerini değiştirmeye karar veriyor. \(k\) ıncı hamlede Zıplak, \(k\) numaralı cevizin iki komşusunun yerlerini birbirleriyle değiştiriyor. Öyle bir \(k\) sayısının var olduğunu gösteriniz ki; Zıplak, \(k\) ıncı hamlede \(a<k<b\) koşuluna uyan \(a\) ve \(b\) numaralı cevizlerin yerlerini değiştirmiş olsun.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Çelişki elde etmek üzere, böyle bir hamlenin bulunmadığını varsayalım. O hâlde her \(k\) hamlesinden hemen önce, \(k\) numaralı cevizin iki komşusunun numaraları ya ikisi de \(k\)'dan küçüktür ya da ikisi de \(k\)'dan büyüktür.
Başlangıçta bütün cevizleri beyaza boyayalım. Her \(k\) hamlesinden sonra \(k\) numaralı cevizi siyaha boyayalım. Böylece \(k\) hamlesinden hemen önce, tam olarak \(1,\ldots,k-1\) numaralı cevizler siyahtır.
\(D\), farklı renklerde cevizler içeren komşu delik çiftlerinin sayısını göstersin. Başlangıçta \(D=0\)'dır ve 2021 hamlenin ve yeniden boyamanın tamamından sonra, bütün cevizler siyah olduğundan, yine \(D=0\) olur.
\(k\) hamlesini, ardından gelen yeniden boyama ile birlikte ele alalım. Varsayımımıza göre, yerleri değiştirilen iki ceviz aynı renktedir. Bu nedenle yer değiştirmeleri her delikteki rengi aynı bırakır; dolayısıyla \(D\)'yi değiştirmez. Daha sonra, hâlâ beyaz olan \(k\) numaralı ceviz siyaha boyanır. İki durum vardır:
- İki komşusu da beyazsa, \(k\) numaralı cevizi içeren iki komşu çiftin her biri aynı renkli olmaktan farklı renkli olmaya geçer. Böylece \(D\), \(2\) artar.
- İki komşusu da siyahsa, bu iki çiftin her biri farklı renkli olmaktan aynı renkli olmaya geçer. Böylece \(D\), \(2\) azalır.
Diğer bütün komşu çiftler değişmeden kalır. Dolayısıyla 2021 hamlenin her biri, ardından gelen yeniden boyamayla birlikte \(D\)'yi tam olarak \(+2\) ya da \(-2\) değiştirir.
\(D\) sıfırdan başlayıp sıfırda bittiğinden, artışların sayısı azalışların sayısına eşit olmalıdır. Bu nedenle toplam hamle sayısı çift olmalıdır; bu ise hamle sayısının 2021 olmasıyla çelişir.
Dolayısıyla bir \(k\) hamlesinde, numarası \(k\)'dan küçük olan bir ceviz ile numarası \(k\)'dan büyük olan bir cevizin yerleri değiştirilir; istenen de budur. \(\square\)
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2021 · Problema 5
Dos ardillas, Ardi y Dilla, han recolectado 2021 nueces para el invierno. Ardi numera las nueces desde 1 hasta 2021, y excava 2021 pequeños hoyos en el suelo en una disposición circular alrededor de su árbol favorito. A la mañana siguiente, Ardi observa que Dilla ha colocado una nuez en cada hoyo, pero sin tener en cuenta la numeración. No contenta con esto, Ardi decide reordenar las nueces realizando una secuencia de 2021 movimientos. En el \(k\)-ésimo movimiento Ardi intercambia las posiciones de las dos nueces adyacentes a la nuez con el número \(k\). Probar que existe un valor de \(k\) tal que, en el \(k\)-ésimo movimiento, las nueces intercambiadas tienen números \(a\) y \(b\) tales que \(a < k < b\).
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Supongamos, por contradicción, que no existe tal movimiento. Así, inmediatamente antes de cada movimiento \(k\), las dos nueces vecinas de la nuez \(k\) tienen ambas números menores que \(k\), o bien ambas tienen números mayores que \(k\).
Inicialmente, coloreemos todas las nueces de blanco. Después de cada movimiento \(k\), cambiemos a negro el color de la nuez \(k\). Por consiguiente, inmediatamente antes del movimiento \(k\), las nueces negras son precisamente las numeradas \(1,\ldots,k-1\).
Sea \(D\) el número de pares de hoyos adyacentes que contienen nueces de colores distintos. Inicialmente \(D=0\), y después de los 2021 movimientos y cambios de color, se tiene de nuevo \(D=0\), pues entonces todas las nueces son negras.
Consideremos el movimiento \(k\) junto con el cambio de color que lo sigue. Por nuestra suposición, las dos nueces que se intercambian tienen el mismo color. Por tanto, su intercambio deja inalterado el color en cada hoyo, de modo que no modifica \(D\). La nuez \(k\), que sigue siendo blanca, pasa entonces a ser negra. Hay dos casos:
- Si sus dos vecinas son blancas, los dos pares adyacentes que incluyen la nuez \(k\) pasan ambos de tener colores iguales a tener colores distintos. Así, \(D\) aumenta en \(2\).
- Si sus dos vecinas son negras, esos dos pares pasan ambos de tener colores distintos a tener colores iguales. Así, \(D\) disminuye en \(2\).
Todos los demás pares adyacentes permanecen inalterados. Por tanto, cada uno de los 2021 movimientos con su cambio de color modifica \(D\) exactamente en \(+2\) o \(-2\).
Como \(D\) empieza y termina en cero, el número de aumentos debe ser igual al número de disminuciones. Por tanto, el número total de movimientos debe ser par, lo que contradice el hecho de que sea 2021.
Así, algún movimiento \(k\) intercambia una nuez cuyo número es menor que \(k\) con otra cuyo número es mayor que \(k\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2021 · 问题 5
两只松鼠 B 和 J 为过冬收集了 2021 枚核桃. J 将核桃依次编号为 1 到 2021, 并在它们最喜欢的树周围挖了一圈共 2021 个小坑. 第二天早上, J 发现 B 已经在每个小坑里放入了一枚核桃, 但并未注意编号. 不开心的 J 决定用 2021 次操作来改变这些核桃的位置. 在第 \(k\) 次操作中, J 把与第 \(k\) 号核桃相邻的两枚核桃交换位置. 证明: 存在某个 \(k\), 使得在第 \(k\) 次操作中, J 交换了两枚编号为 \(a\) 和 \(b\) 的核桃, 且 \(a<k<b\).
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
解答
用反证法,假设不存在这样的操作。因此,在每次操作 \(k\) 开始之前,与核桃 \(k\) 相邻的两枚核桃的编号要么都小于 \(k\),要么都大于 \(k\)。
初始时,将所有核桃染成白色。每次操作 \(k\) 之后,将核桃 \(k\) 改染为黑色。因此,在操作 \(k\) 开始之前,恰好编号为 \(1,\ldots,k-1\) 的核桃是黑色的。
设 \(D\) 表示所放核桃颜色不同的相邻小坑对的数量。初始时 \(D=0\),而在全部 2021 次操作及改色完成后,\(D=0\) 再次成立,因为此时所有核桃都是黑色的。
考虑操作 \(k\) 及随后的改色。根据假设,被交换的两枚核桃颜色相同。因此,交换后每个小坑中的颜色均不变,所以 \(D\) 不变。随后,将仍为白色的核桃 \(k\) 改染为黑色。分两种情形:
- 若与它相邻的两枚核桃均为白色,则涉及核桃 \(k\) 的两个相邻对都从颜色相同变为颜色不同。因此,\(D\) 增加 \(2\)。
- 若与它相邻的两枚核桃均为黑色,则这两个相邻对都从颜色不同变为颜色相同。因此,\(D\) 减少 \(2\)。
其余所有相邻对均保持不变。因此,2021 次操作及改色中的每一次都使 \(D\) 恰好改变 \(+2\) 或 \(-2\)。
由于 \(D\) 的初值和终值均为零,增加的次数必等于减少的次数。因此,操作总次数必为偶数,这与其为 2021 矛盾。
所以,必存在某次操作 \(k\),将一枚编号小于 \(k\) 的核桃与一枚编号大于 \(k\) 的核桃交换,结论得证。\(\square\)
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2021 · Задача 5
Чип и Дейл собрали на зиму 2021 орешек. Чип пронумеровал орешки числами от 1 до 2021 и вырыл 2021 маленькую ямку вокруг их любимого дерева. На следующее утро он обнаружил, что Дейл положил в каждую ямку по орешку, ничуть не беспокоясь о порядке. Расстроившись, Чип решил переупорядочить орешки посредством следующей последовательности из 2021 действия: во время \(k\)-го действия он меняет местами орешки, соседние с орешком под номером \(k\). Докажите, что найдётся такое число \(k\), что во время \(k\)-го действия поменялись местами орешки с номерами \(a\) и \(b\) такими, что \(a<k<b\).
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Предположим противное: такого действия нет. Тогда непосредственно перед каждым действием \(k\) оба соседа орешка \(k\) имеют либо номера, меньшие \(k\), либо номера, большие \(k\).
Изначально покрасим все орешки в белый цвет. После каждого действия \(k\) перекрасим орешек \(k\) в чёрный цвет. Следовательно, непосредственно перед действием \(k\) чёрными являются в точности орешки с номерами \(1,\ldots,k-1\).
Обозначим через \(D\) число пар соседних ямок, содержащих орешки разных цветов. Изначально \(D=0\), и после всех 2021 действий и перекрашиваний снова \(D=0\), поскольку тогда все орешки чёрные.
Рассмотрим действие \(k\) вместе с последующим перекрашиванием. По нашему предположению, два орешка, которые меняют местами, имеют одинаковый цвет. Поэтому их обмен не меняет цвет орешка ни в одной ямке, а значит, не меняет \(D\). Затем орешек \(k\), который ещё белый, перекрашивается в чёрный цвет. Возможны два случая:
- Если оба его соседа белые, то в каждой из двух пар соседних орешков, содержащих орешек \(k\), одинаковые цвета становятся разными. Поэтому \(D\) увеличивается на \(2\).
- Если оба его соседа чёрные, то в обеих этих парах разные цвета становятся одинаковыми. Поэтому \(D\) уменьшается на \(2\).
Все остальные пары соседних орешков остаются без изменений. Значит, каждое из 2021 действий вместе с перекрашиванием изменяет \(D\) ровно на \(+2\) или \(-2\).
Поскольку в начале и в конце \(D\) равно нулю, число увеличений должно равняться числу уменьшений. Поэтому общее число действий должно быть чётным, что противоречит тому, что оно равно 2021.
Таким образом, при некотором действии \(k\) орешек с номером, меньшим \(k\), меняется местами с орешком с номером, большим \(k\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2021 · المسألة 5
قام اثنان من السناجيب، بوشي وجامي، بجمع 2021 حبة بندق للشتاء. قام جامي بترقيم حبات البندق من 1 إلى 2021، ثم حفر 2021 حفرة صغيرة في نمط دائري على الأرض حول شجرته المفضلة. في صباح اليوم التالي لاحظ جامي أن بوشي قد وضع حبة بندق في كل حفرة، ولكنه لم ينتبه للترقيم. قرر جامي إعادة ترتيب حبات البندق عن طريق إجراء سلسلة من 2021 حركة. في الحركة رقم \(k\) يقوم جامي بتبديل مواضع حبتي البندق المجاورتين لحبة رقم \(k\). أثبت أنه يوجد \(k\) بحيث في الحركة رقم \(k\) قام جامي بتبديل الحبتين \(a,b\) بحيث \(a<k<b\).
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نفترض، طلباً للتناقض، عدم وجود حركة كهذه. إذن، قبيل كل حركة \(k\)، إما أن يكون رقما حبتي البندق المجاورتين لحبة البندق \(k\) كلاهما أصغر من \(k\)، أو يكون كلاهما أكبر من \(k\).
نلوّن في البداية جميع حبات البندق بالأبيض. وبعد كل حركة \(k\)، نعيد تلوين حبة البندق \(k\) بالأسود. وبالتالي، قبيل الحركة \(k\)، تكون حبات البندق المرقمة \(1,\ldots,k-1\) هي وحدها السوداء.
ليكن \(D\) عدد أزواج الحفر المتجاورة التي تحتوي على حبتي بندق مختلفتي اللون. في البداية \(D=0\)، وبعد إتمام الحركات وإعادات التلوين الـ2021، يعود \(D=0\)، لأن جميع حبات البندق تكون حينئذ سوداء.
لننظر إلى الحركة \(k\) مع إعادة التلوين التي تليها. وفقاً لافتراضنا، فإن حبتي البندق اللتين تُبدّلان لهما اللون نفسه. لذلك يترك تبديلهما اللون في كل حفرة دون تغيير، فلا يغيّر \(D\). ثم يعاد تلوين حبة البندق \(k\)، التي لا تزال بيضاء، بالأسود. وهناك حالتان:
- إذا كانت الحبتان المجاورتان لها بيضاوين، فإن كلا الزوجين المتجاورين اللذين يتضمنان حبة البندق \(k\) يتحول من زوج متساوي اللون إلى زوج مختلف اللون. ومن ثم يزداد \(D\) بمقدار \(2\).
- إذا كانت الحبتان المجاورتان لها سوداوين، فإن كلا هذين الزوجين يتحول من زوج مختلف اللون إلى زوج متساوي اللون. ومن ثم ينقص \(D\) بمقدار \(2\).
تبقى جميع الأزواج المتجاورة الأخرى دون تغيير. وهكذا تغيّر كل واحدة من الحركات وإعادات التلوين الـ2021 قيمة \(D\) بمقدار \(+2\) أو \(-2\) بالضبط.
بما أن \(D\) يبدأ بالصفر وينتهي به، فلا بد أن يساوي عدد الزيادات عدد النقصانات. ولذلك يجب أن يكون العدد الكلي للحركات زوجياً، وهذا يناقض كونه 2021.
إذن توجد حركة \(k\) تبدّل حبة بندق رقمها أصغر من \(k\) بحبة رقمها أكبر من \(k\)، كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.