IMO 2022 · Problem 1
The Bank of Oslo issues two types of coin: aluminium (denoted \(A\)) and bronze (denoted \(B\)). Marianne has \(n\) aluminium coins and \(n\) bronze coins, arranged in a row in some arbitrary initial order. A chain is any subsequence of consecutive coins of the same type. Given a fixed positive integer \(k \leqslant 2n\), Marianne repeatedly performs the following operation: she identifies the longest chain containing the \(k^{\text{th}}\) coin from the left, and moves all coins in that chain to the left end of the row. For example, if \(n = 4\) and \(k = 4\), the process starting from the ordering \(AABBBABA\) would be
\[ AAB\underline{B}BABA \to BBB\underline{A}AABA \to AAA\underline{B}BBBA \to BBB\underline{B}AAAA \to BBB\underline{B}AAAA \to \cdots. \]
Find all pairs \((n,k)\) with \(1 \leqslant k \leqslant 2n\) such that for every initial ordering, at some moment during the process, the leftmost \(n\) coins will all be of the same type.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
All pairs of positive integers \((n,k)\) satisfying \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil}. \]
Solution
Call a maximal chain a block. Thus the row is uniquely divided into blocks whose types alternate, and each operation moves the entire block containing position \(k\) to the front. Write \(A^a\) or \(B^a\) for \(a\) consecutive coins of the indicated type.
First we exclude the values of \(k\) outside the claimed range.
If \(k<n\), then \(n\geqslant2\). Consider \[ A^{n-1}B^nA. \] Position \(k\) belongs to the first block, so every operation leaves this row unchanged. Its leftmost \(n\) coins are not all of the same type.
Now suppose \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] Again \(n\geqslant2\). Put \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] and start with \[ A^aB^aA^bB^b. \] These are four alternating blocks, each of length at least \(a\). Since \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] position \(k\) belongs to the last block whenever that block has length at least \(a\). Moving the last block to the front simply rotates the four blocks, without merging any of them. Consequently, this description remains valid forever: every operation rotates the same four blocks.
The first block always has length \(a\) or \(b\), both strictly less than \(n\). Thus this initial ordering never satisfies the requirement.
It remains to prove that every \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] works. Fix such a \(k\), and suppose, for a contradiction, that some initial ordering never has its leftmost \(n\) coins all of the same type.
At every stage, the first block then has length at most \(n-1<k\), so the selected block is never the first block. Let \(r\) denote the current number of blocks. We examine how \(r\) changes.
- If the selected block is neither the first nor the last, removing it joins its two neighbours, which have the same type. Thus removal reduces the number of blocks by two. Putting the removed block at the front adds at most one block, so the operation strictly decreases \(r\).
- If the selected block is the last, removing it reduces the number of blocks by one. Putting it at the front restores that block precisely when its type differs from the first block’s type; otherwise, it merges with the first block. Hence \(r\) stays unchanged exactly when the first and last blocks have different types, which is equivalent to \(r\) being even.
Therefore the number of blocks never increases. Being a positive integer, it must eventually remain constant. From that point onward, every operation moves the last block to the front, and the constant number \(r\) of blocks is even.
There cannot be just two blocks: since there are exactly \(n\) coins of each type, a row with two blocks is \(A^nB^n\) or \(B^nA^n\), already satisfying the requirement. Hence \(r\geqslant4\).
The subsequent operations cyclically rotate these \(r\) blocks without changing their lengths. Every block therefore becomes the last block at some stage. If its length is \(\ell\), its positions when last are \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] For it to contain position \(k\), we must have \[ \ell\geqslant 2n-k+1. \] Thus every block has at least \(2n-k+1\) coins.
Because the blocks alternate and \(r\geqslant4\) is even, there are at least two aluminium blocks. Counting their coins gives \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] But the assumed upper bound on \(k\) implies \(2k\leqslant3n+1\), so \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] This yields \(n\geqslant n+1\), a contradiction.
Hence every initial ordering eventually satisfies the requirement throughout the stated range. This also includes \(n=1\), for which the requirement holds initially for both possible values of \(k\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 1
Die Osloer Bank gibt Münzen aus Aluminium (mit \(A\) bezeichnet) und aus Bronze (mit \(B\) bezeichnet) heraus. Marianne hat \(n\) Aluminiummünzen und \(n\) Bronzemünzen beliebig in einer Reihe angeordnet. Eine Kette sei eine Teilfolge aufeinanderfolgender Münzen aus gleichem Material. Für eine gegebene positive ganze Zahl \(k \leqslant 2n\) führt Marianne wiederholt die folgende Operation durch: Sie identifiziert die längste Kette, die die \(k\)-te Münze von links enthält, und verschiebt alle Münzen dieser Kette an das linke Ende der Reihe. Zum Beispiel erhält sie für \(n = 4\) und \(k = 4\) ausgehend von der Konfiguration \(AABBBABA\) nacheinander
\[ AAB\underline{B}BABA \to BBB\underline{A}AABA \to AAA\underline{B}BBBA \to BBB\underline{B}AAAA \to BBB\underline{B}AAAA \to \cdots. \]
Man bestimme alle Paare \((n,k)\) mit \(1 \leqslant k \leqslant 2n\), sodass für jede Ausgangskonfiguration zu irgendeinem Zeitpunkt im Verlauf des Prozesses die \(n\) am weitesten links liegenden Münzen aus dem gleichen Material sind.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Alle Paare positiver ganzer Zahlen \((n,k)\), für die \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil} \] gilt.
Lösung
Wir nennen eine maximale Kette einen Block. Die Reihe zerfällt somit eindeutig in Blöcke, deren Materialien sich abwechseln, und jede Operation verschiebt den gesamten Block, der die Position \(k\) enthält, an den Anfang. Wir schreiben \(A^a\) bzw. \(B^a\) für \(a\) aufeinanderfolgende Münzen des angegebenen Materials.
Zunächst schließen wir die Werte von \(k\) außerhalb des behaupteten Bereichs aus.
Ist \(k<n\), so gilt \(n\geqslant2\). Wir betrachten \[ A^{n-1}B^nA. \] Die Position \(k\) gehört zum ersten Block, sodass jede Operation diese Reihe unverändert lässt. Ihre ersten \(n\) Münzen sind nicht alle aus dem gleichen Material.
Nun gelte \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] Wieder ist \(n\geqslant2\). Wir setzen \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] und beginnen mit \[ A^aB^aA^bB^b. \] Dies sind vier abwechselnde Blöcke, jeweils von einer Länge mindestens \(a\). Wegen \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a \] gehört die Position \(k\) zum letzten Block, sobald dieser eine Länge von mindestens \(a\) hat. Wird der letzte Block an den Anfang verschoben, werden die vier Blöcke lediglich zyklisch vertauscht, ohne dass Blöcke verschmelzen. Folglich bleibt diese Beschreibung für immer gültig: Jede Operation vertauscht dieselben vier Blöcke zyklisch.
Der erste Block hat stets die Länge \(a\) oder \(b\), und beide sind echt kleiner als \(n\). Diese Ausgangskonfiguration erfüllt daher niemals die geforderte Bedingung.
Es bleibt zu beweisen, dass jedes \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] geeignet ist. Wir halten ein solches \(k\) fest und nehmen zum Widerspruch an, dass bei einer Ausgangskonfiguration die ersten \(n\) Münzen niemals alle aus dem gleichen Material sind.
Dann hat der erste Block zu jedem Zeitpunkt eine Länge von höchstens \(n-1<k\), sodass der ausgewählte Block niemals der erste Block ist. Mit \(r\) bezeichnen wir die aktuelle Anzahl der Blöcke. Wir untersuchen, wie sich \(r\) ändert.
- Ist der ausgewählte Block weder der erste noch der letzte, so werden beim Entfernen seine beiden Nachbarn verbunden, die aus dem gleichen Material bestehen. Das Entfernen verringert die Anzahl der Blöcke somit um zwei. Das Einfügen des entfernten Blocks am Anfang fügt höchstens einen Block hinzu, sodass die Operation \(r\) echt verringert.
- Ist der ausgewählte Block der letzte, so verringert sein Entfernen die Anzahl der Blöcke um eins. Beim Einfügen am Anfang entsteht genau dann wieder ein eigener Block, wenn sein Material sich von dem des ersten Blocks unterscheidet; andernfalls verschmilzt er mit dem ersten Block. Daher bleibt \(r\) genau dann unverändert, wenn der erste und der letzte Block aus verschiedenen Materialien bestehen, was dazu äquivalent ist, dass \(r\) gerade ist.
Die Anzahl der Blöcke nimmt also niemals zu. Da sie eine positive ganze Zahl ist, muss sie ab einem gewissen Zeitpunkt konstant bleiben. Von diesem Zeitpunkt an verschiebt jede Operation den letzten Block an den Anfang, und die konstante Anzahl \(r\) der Blöcke ist gerade.
Es können nicht nur zwei Blöcke sein: Da es genau \(n\) Münzen aus jedem Material gibt, ist eine Reihe mit zwei Blöcken von der Form \(A^nB^n\) oder \(B^nA^n\) und erfüllt bereits die geforderte Bedingung. Also gilt \(r\geqslant4\).
Die nachfolgenden Operationen vertauschen diese \(r\) Blöcke zyklisch, ohne ihre Längen zu ändern. Daher wird jeder Block irgendwann zum letzten Block. Hat er die Länge \(\ell\), so belegt er als letzter Block die Positionen \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] Damit er die Position \(k\) enthält, muss \[ \ell\geqslant 2n-k+1 \] gelten. Somit enthält jeder Block mindestens \(2n-k+1\) Münzen.
Da sich die Materialien der Blöcke abwechseln und \(r\geqslant4\) gerade ist, gibt es mindestens zwei Aluminiumblöcke. Durch Zählen ihrer Münzen erhalten wir \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] Aus der angenommenen oberen Schranke für \(k\) folgt jedoch \(2k\leqslant3n+1\), sodass \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] Dies ergibt \(n\geqslant n+1\), einen Widerspruch.
Damit erfüllt jede Ausgangskonfiguration für den gesamten angegebenen Bereich schließlich die geforderte Bedingung. Dies schließt auch \(n=1\) ein; in diesem Fall gilt die Bedingung für beide möglichen Werte von \(k\) bereits zu Beginn.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 1
Oslo Bankası, iki tür madeni para basmaktadır: alüminyum (\(A\) ile belirtilecektir) ve bronz (\(B\) ile belirtilecektir). \(n\) adet alüminyum ve \(n\) adet bronz parası olan Aslı, başlangıçta bu paraları herhangi bir sırayla yan yana dizmiştir. Ardışık olarak dizilmiş ve aynı tür paralardan oluşan diziye zincir diyelim. \(k\leqslant 2n\) verilmiş bir pozitif tam sayı olsun. Aslı, aşağıda tanımlanan hamleyi tekrar tekrar yapmaktadır: soldan \(k\). sıradaki parayı içeren en uzun zinciri alıyor ve bu zincirdeki tüm paraları dizinin en soluna taşıyor. Örneğin, \(n=4\) ve \(k=4\) durumunda \(AABBBABA\) sıralamasıyla başlayan bir süreç aşağıdaki gibi ilerler
\[ AAB\underline{B}BABA\to BBB\underline{A}AABA\to AAA\underline{B}BBBA\to BBB\underline{B}AAAA\to BBB\underline{B}AAAA\to\cdots. \]
Başlangıçtaki sıralama nasıl olursa olsun, bu sürecin bir noktasında en soldaki \(n\) paranın aynı türden olmasını sağlayan tüm \((n,k)\), \(1\leqslant k\leqslant 2n\) ikililerini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil} \] koşulunu sağlayan tüm pozitif tam sayı ikilileri \((n,k)\).
Çözüm
Daha fazla uzatılamayan bir zincire blok diyelim. Böylece dizi, türleri dönüşümlü olan bloklara tek bir biçimde ayrılır ve her hamle, \(k\) konumunu içeren bloğun tamamını en başa taşır. Belirtilen türden art arda gelen \(a\) parayı \(A^a\) veya \(B^a\) ile gösterelim.
Önce, belirtilen aralığın dışındaki \(k\) değerlerini eleyelim.
\(k<n\) ise \(n\geqslant2\) olur. \[ A^{n-1}B^nA \] dizisini ele alalım. \(k\) konumu ilk blokta bulunduğundan her hamle bu diziyi değiştirmeden bırakır. Dizinin en soldaki \(n\) parasının tümü aynı türden değildir.
Şimdi \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] olduğunu varsayalım. Yine \(n\geqslant2\) olur. \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] olsun ve \[ A^aB^aA^bB^b \] dizisiyle başlayalım. Bunlar, her birinin uzunluğu en az \(a\) olan, türleri dönüşümlü dört bloktur. \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] olduğundan, son bloğun uzunluğu en az \(a\) olduğu sürece \(k\) konumu son blokta bulunur. Son bloğu en başa taşımak, hiçbir bloğu birleştirmeden yalnızca dört bloğu döngüsel olarak kaydırır. Dolayısıyla bu durum sonsuza kadar geçerliliğini korur: her hamle aynı dört bloğu döngüsel olarak kaydırır.
İlk bloğun uzunluğu her zaman \(a\) veya \(b\) olur ve her ikisi de \(n\)'den kesin olarak küçüktür. Bu nedenle bu başlangıç sıralaması istenen koşulu hiçbir zaman sağlamaz.
Geriye, \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] aralığındaki her değerin istenen özelliğe sahip olduğunu göstermek kalır. Böyle bir \(k\)'yı sabitleyelim ve çelişki elde etmek üzere, bir başlangıç sıralamasında en soldaki \(n\) paranın hiçbir zaman aynı türden olmadığını varsayalım.
Bu durumda her aşamada ilk bloğun uzunluğu en fazla \(n-1<k\) olur; dolayısıyla seçilen blok hiçbir zaman ilk blok değildir. O andaki blok sayısını \(r\) ile gösterelim. \(r\)'nin nasıl değiştiğini inceleyelim.
- Seçilen blok ne ilk ne de son bloksa, bu bloğun çıkarılması aynı türden olan iki komşusunu birleştirir. Böylece çıkarma işlemi blok sayısını iki azaltır. Çıkarılan bloğu en başa koymak en fazla bir blok ekler; dolayısıyla hamle \(r\)'yi kesin olarak azaltır.
- Seçilen blok son bloksa, bu bloğun çıkarılması blok sayısını bir azaltır. Bu bloğu en başa koymak, tam olarak türü ilk bloğun türünden farklı olduğunda blok sayısını eski değerine getirir; aksi hâlde blok ilk blokla birleşir. Dolayısıyla \(r\), tam olarak ilk ve son blokların türleri farklı olduğunda değişmeden kalır; bu da \(r\)'nin çift olmasına denktir.
Bu nedenle blok sayısı hiçbir zaman artmaz. Pozitif bir tam sayı olduğundan, bir noktadan sonra sabit kalmak zorundadır. O noktadan itibaren her hamle son bloğu en başa taşır ve sabit kalan blok sayısı \(r\) çifttir.
Yalnızca iki blok olamaz: her türden tam olarak \(n\) para bulunduğundan, iki bloklu bir dizi \(A^nB^n\) veya \(B^nA^n\) biçimindedir ve istenen koşulu zaten sağlar. Dolayısıyla \(r\geqslant4\) olur.
Sonraki hamleler, bu \(r\) bloğu uzunluklarını değiştirmeden döngüsel olarak kaydırır. Bu nedenle her blok bir aşamada son blok olur. Uzunluğu \(\ell\) ise, son blok olduğunda kapladığı konumlar \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n \] olur. \(k\) konumunu içermesi için \[ \ell\geqslant 2n-k+1 \] olmalıdır. Böylece her blokta en az \(2n-k+1\) para vardır.
Blokların türleri dönüşümlü olduğundan ve \(r\geqslant4\) çift olduğundan, en az iki alüminyum blok vardır. Bunlardaki paraları sayarak \[ n\geqslant2(2n-k+1) \] elde ederiz. Ancak \(k\) için varsayılan üst sınır \(2k\leqslant3n+1\) eşitsizliğini verir; dolayısıyla \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] Buradan \(n\geqslant n+1\) çıkar ki bu bir çelişkidir.
Dolayısıyla belirtilen aralığın tamamında, her başlangıç sıralaması sonunda istenen koşulu sağlar. Bu, \(n=1\) durumunu da kapsar; bu durumda koşul, \(k\)'nın mümkün olan her iki değeri için de başlangıçta sağlanır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 1
El Banco de Oslo emite dos tipos de monedas: de aluminio (denotadas por \(A\)) y de bronce (denotadas por \(B\)). Mariana tiene \(n\) monedas de aluminio y \(n\) monedas de bronce, colocadas en fila en un orden inicialmente arbitrario. Una cadena es una sucesión de monedas consecutivas todas del mismo tipo. Dado un entero positivo \(k\leqslant 2n\), Mariana realiza repetidamente la siguiente operación: primero identifica la cadena más larga que contiene la \(k\)-ésima moneda desde la izquierda y después reubica todas las monedas de esa cadena al extremo izquierdo de la fila. Por ejemplo, si \(n=4\) y \(k=4\), el proceso que comienza con el orden inicial \(AABBBABA\) será
\[ AAB\underline{B}BABA\to BBB\underline{A}AABA\to AAA\underline{B}BBBA\to BBB\underline{B}AAAA\to BBB\underline{B}AAAA\to\cdots. \]
Hallar todas las parejas \((n,k)\) con \(1\leqslant k\leqslant 2n\) tales que, cualquiera que sea el orden inicial, en algún momento durante el proceso las \(n\) monedas de la izquierda serán todas del mismo tipo.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Todas las parejas de enteros positivos \((n,k)\) que satisfacen \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil}. \]
Solución
Llamaremos bloque a una cadena maximal. Así, la fila queda dividida de manera única en bloques cuyos tipos se alternan, y cada operación mueve al principio el bloque entero que contiene la posición \(k\). Escribiremos \(A^a\) o \(B^a\) para representar \(a\) monedas consecutivas del tipo indicado.
Primero excluimos los valores de \(k\) que están fuera del intervalo propuesto.
Si \(k<n\), entonces \(n\geqslant2\). Consideremos \[ A^{n-1}B^nA. \] La posición \(k\) pertenece al primer bloque, de modo que cada operación deja esta fila sin cambios. Sus \(n\) monedas de la izquierda no son todas del mismo tipo.
Supongamos ahora que \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] De nuevo, \(n\geqslant2\). Tomemos \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] y comencemos con \[ A^aB^aA^bB^b. \] Son cuatro bloques alternados, cada uno de longitud al menos \(a\). Como \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] la posición \(k\) pertenece al último bloque siempre que este tenga longitud al menos \(a\). Mover el último bloque al principio simplemente rota los cuatro bloques, sin fusionar ninguno de ellos. Por consiguiente, esta descripción sigue siendo válida indefinidamente: cada operación rota los mismos cuatro bloques.
El primer bloque siempre tiene longitud \(a\) o \(b\), ambas estrictamente menores que \(n\). Por tanto, este orden inicial nunca satisface lo requerido.
Queda por demostrar que todo \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] sirve. Fijemos uno de estos valores de \(k\) y supongamos, para llegar a una contradicción, que existe un orden inicial para el cual las \(n\) monedas de la izquierda nunca son todas del mismo tipo.
En cada etapa, el primer bloque tiene entonces longitud a lo sumo \(n-1<k\), de modo que el bloque seleccionado nunca es el primero. Sea \(r\) el número actual de bloques. Examinemos cómo cambia \(r\).
- Si el bloque seleccionado no es ni el primero ni el último, al retirarlo se unen sus dos vecinos, que son del mismo tipo. Por tanto, retirarlo reduce el número de bloques en dos. Colocar el bloque retirado al principio añade a lo sumo un bloque, así que la operación disminuye estrictamente \(r\).
- Si el bloque seleccionado es el último, retirarlo reduce el número de bloques en uno. Colocarlo al principio restablece ese bloque precisamente cuando su tipo difiere del tipo del primer bloque; en caso contrario, se fusiona con el primero. Por tanto, \(r\) permanece sin cambios exactamente cuando el primer bloque y el último son de tipos distintos, lo cual equivale a que \(r\) sea par.
Por tanto, el número de bloques nunca aumenta. Como es un entero positivo, a partir de algún momento debe permanecer constante. Desde ese momento, cada operación mueve el último bloque al principio, y el número constante \(r\) de bloques es par.
No puede haber solamente dos bloques: como hay exactamente \(n\) monedas de cada tipo, una fila con dos bloques es \(A^nB^n\) o \(B^nA^n\), que ya satisface lo requerido. Por tanto, \(r\geqslant4\).
Las operaciones posteriores rotan cíclicamente estos \(r\) bloques sin cambiar sus longitudes. Por tanto, cada bloque pasa a ser el último en alguna etapa. Si su longitud es \(\ell\), sus posiciones cuando es el último son \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] Para que contenga la posición \(k\), debe cumplirse \[ \ell\geqslant 2n-k+1. \] Así pues, cada bloque tiene al menos \(2n-k+1\) monedas.
Como los bloques se alternan y \(r\geqslant4\) es par, hay al menos dos bloques de aluminio. Contando sus monedas obtenemos \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] Pero la cota superior supuesta para \(k\) implica \(2k\leqslant3n+1\), de modo que \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] Esto da \(n\geqslant n+1\), una contradicción.
Por tanto, para todos los valores del intervalo indicado, cualquier orden inicial acaba satisfaciendo lo requerido. Esto incluye también \(n=1\), para el cual lo requerido se cumple desde el inicio para los dos valores posibles de \(k\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 1
奥斯陆银行发行两种硬币:铝币(记做 \(A\))以及铜币(记做 \(B\))。玛丽有 \(n\) 个铝币和 \(n\) 个铜币,他任意地将这些硬币排成一列。我们称相同材料的连续一小段硬币为「同花段」。给定一正整数 \(k\leqslant 2n\),玛丽重复下列的操作:找出包含从左数第 \(k\) 个硬币的最长同花段,然后把这个同花段中的所有硬币移到整列硬币的最左边。举例来说,当 \(n=4\) 且 \(k=4\) 时,从 \(AABBBABA\) 这个起始状态开始操作,过程会是
\[ AAB\underline{B}BABA\to BBB\underline{A}AABA\to AAA\underline{B}BBBA\to BBB\underline{B}AAAA\to BBB\underline{B}AAAA\to\cdots. \]
找出符合 \(1\leqslant k\leqslant 2n\) 的所有数对 \((n,k)\),使得不管是什么起始状态,在操作过程的某个时刻,最左边的 \(n\) 个硬币都是同一种材料的。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
所有满足下式的正整数对 \((n,k)\): \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil}. \]
解答
称一个极大的同花段为一个块。这样,整列硬币就唯一地分成了若干个材料交替的块,而每次操作都将包含位置 \(k\) 的整个块移到最前面。用 \(A^a\) 或 \(B^a\) 表示 \(a\) 个连续的相应材料的硬币。
首先排除所述范围以外的 \(k\) 值。
若 \(k<n\),则 \(n\geqslant2\)。考虑 \[ A^{n-1}B^nA. \] 位置 \(k\) 属于第一个块,因此每次操作都使这列硬币保持不变。它最左边的 \(n\) 个硬币并非全为同一种材料。
现在假设 \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] 同样有 \(n\geqslant2\)。令 \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] 并以 \[ A^aB^aA^bB^b. \] 为起始排列。这是四个材料交替的块,每个块的长度都至少为 \(a\)。由于 \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] 只要最后一个块的长度至少为 \(a\),位置 \(k\) 就属于该块。将最后一个块移到最前面,只会使这四个块循环移位,不会使任何块合并。因此,上述情形会一直保持:每次操作都是将同样的四个块循环移位。
第一个块的长度始终为 \(a\) 或 \(b\),二者都严格小于 \(n\)。因此,这一起始排列永远不会满足要求。
下面只需证明每个满足 \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] 的 \(k\) 都符合条件。固定这样的 \(k\),用反证法,假设存在某个起始排列,使得最左边的 \(n\) 个硬币始终不全为同一种材料。
于是,在每个阶段,第一个块的长度都至多为 \(n-1<k\),因此选中的块绝不会是第一个块。用 \(r\) 表示当前的块数。我们考察 \(r\) 如何变化。
- 若选中的块既不是第一个块,也不是最后一个块,移走它就会使它两侧材料相同的两个块合并。因此,移走它会使块数减少二。将移走的块放到最前面至多增加一个块,所以这次操作使 \(r\) 严格减小。
- 若选中的是最后一个块,移走它会使块数减少一。将它放到最前面时,恰好在它与第一个块的材料不同时,块数恢复原值;否则,它会与第一个块合并。因此,\(r\) 保持不变当且仅当第一个块和最后一个块的材料不同,这等价于 \(r\) 为偶数。
因此,块数永不增加。由于块数是正整数,它最终必定保持不变。从那时起,每次操作都将最后一个块移到最前面,而且保持不变的块数 \(r\) 是偶数。
不可能只有两个块:由于每种材料的硬币都恰有 \(n\) 个,只有两个块的排列必为 \(A^nB^n\) 或 \(B^nA^n\),已经满足要求。因此 \(r\geqslant4\)。
此后的操作将这 \(r\) 个块循环移位,而不改变它们的长度。因此,每个块都会在某个阶段成为最后一个块。若其长度为 \(\ell\),则它位于最后时占据的位置为 \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] 要使它包含位置 \(k\),必须有 \[ \ell\geqslant 2n-k+1. \] 因此,每个块都至少有 \(2n-k+1\) 个硬币。
由于各块的材料交替,且 \(r\geqslant4\) 为偶数,至少有两个铝币块。计算其中的硬币数,得到 \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] 但对 \(k\) 的上界假设给出 \(2k\leqslant3n+1\),所以 \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] 由此得到 \(n\geqslant n+1\),矛盾。
因此,在所述范围内,每个起始排列最终都会满足要求。这也包括 \(n=1\) 的情形,此时对于 \(k\) 的两个可能值,初始状态就已满足要求。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 1
Банк Осло выпускает монеты двух видов: алюминиевые (обозначим их буквой \(A\)) и бронзовые (обозначим их буквой \(B\)). Мария выложила в ряд в некотором порядке \(n\) алюминиевых и \(n\) бронзовых монет. Цепью назовём любую последовательность подряд идущих монет одного вида. Для заданного целого положительного числа \(k \leqslant 2n\) Мария последовательно повторяет следующую операцию: она выбирает цепь наибольшей длины, содержащую \(k\)-ую слева монету, и перемещает все монеты этой цепочки в левый край ряда. Например, если \(n = 4\) и \(k = 4\), то для начального ряда \(AABBBABA\), процесс будет иметь вид:
\[ AAB\underline{B}BABA \to BBB\underline{A}AABA \to AAA\underline{B}BBBA \to BBB\underline{B}AAAA \to BBB\underline{B}AAAA \to \cdots. \]
Найдите все пары \((n,k)\), где \(1 \leqslant k \leqslant 2n\), такие, что для любого начального ряда найдётся момент времени такой, что \(n\) первых монет ряда будут одного вида.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Все пары положительных целых чисел \((n,k)\), удовлетворяющие условию \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil}. \]
Решение
Назовём максимальную цепь блоком. Таким образом, ряд единственным образом разбивается на блоки, виды которых чередуются, и каждая операция переносит в начало весь блок, содержащий позицию \(k\). Будем обозначать через \(A^a\) или \(B^a\) последовательность из \(a\) подряд идущих монет указанного вида.
Сначала исключим значения \(k\), не входящие в заявленный диапазон.
Если \(k<n\), то \(n\geqslant2\). Рассмотрим ряд \[ A^{n-1}B^nA. \] Позиция \(k\) принадлежит первому блоку, поэтому каждая операция оставляет этот ряд неизменным. Его первые \(n\) монет не являются монетами одного вида.
Теперь предположим, что \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] Снова \(n\geqslant2\). Положим \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] и начнём с ряда \[ A^aB^aA^bB^b. \] Он состоит из четырёх чередующихся блоков, каждый длины не менее \(a\). Поскольку \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] позиция \(k\) принадлежит последнему блоку всякий раз, когда его длина не меньше \(a\). Перенос последнего блока в начало просто циклически переставляет четыре блока, не сливая никакие из них. Следовательно, это описание остаётся верным неограниченно долго: каждая операция циклически переставляет те же четыре блока.
Длина первого блока всегда равна \(a\) или \(b\), причём оба числа строго меньше \(n\). Таким образом, для этого начального ряда требование никогда не выполняется.
Остаётся доказать, что подходит любое \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] Зафиксируем такое \(k\) и предположим от противного, что для некоторого начального ряда его первые \(n\) монет никогда не оказываются одного вида.
Тогда на каждом шаге длина первого блока не превосходит \(n-1<k\), поэтому выбранный блок никогда не является первым. Обозначим через \(r\) текущее число блоков. Рассмотрим, как меняется \(r\).
- Если выбранный блок не является ни первым, ни последним, то при его удалении соединяются два соседних с ним блока одного вида. Таким образом, удаление уменьшает число блоков на два. Перенос удалённого блока в начало добавляет не более одного блока, поэтому операция строго уменьшает \(r\).
- Если выбранный блок является последним, то его удаление уменьшает число блоков на один. При переносе в начало этот блок восстанавливается в точности тогда, когда его вид отличается от вида первого блока; в противном случае он сливается с первым блоком. Поэтому \(r\) остаётся неизменным в точности тогда, когда первый и последний блоки имеют разные виды, что равносильно чётности \(r\).
Следовательно, число блоков никогда не увеличивается. Поскольку это положительное целое число, начиная с некоторого момента оно должно оставаться постоянным. С этого момента каждая операция переносит последний блок в начало, а постоянное число \(r\) блоков чётно.
Блоков не может быть всего два: поскольку монет каждого вида ровно \(n\), ряд из двух блоков имеет вид \(A^nB^n\) или \(B^nA^n\) и уже удовлетворяет требованию. Следовательно, \(r\geqslant4\).
Последующие операции циклически переставляют эти \(r\) блоков, не меняя их длин. Поэтому каждый блок на некотором шаге становится последним. Если его длина равна \(\ell\), то, будучи последним, он занимает позиции \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] Чтобы он содержал позицию \(k\), необходимо, чтобы \[ \ell\geqslant 2n-k+1. \] Таким образом, каждый блок содержит не менее \(2n-k+1\) монет.
Поскольку блоки чередуются и \(r\geqslant4\) чётно, имеется по меньшей мере два алюминиевых блока. Подсчёт монет в них даёт \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] Но из предполагаемой верхней границы для \(k\) следует \(2k\leqslant3n+1\), поэтому \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] Получаем \(n\geqslant n+1\) — противоречие.
Следовательно, во всём указанном диапазоне для любого начального ряда требование рано или поздно выполняется. Сюда входит и случай \(n=1\), в котором требование выполнено уже в начальный момент при обоих возможных значениях \(k\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 1
يصدر بنك أوسلو نوعين من العملات المعدنية: ألومنيوم (يرمز لها \(A\))، وبرونز (يرمز لها \(B\)). تملك ماريان \(n\) من عملات الألومنيوم و \(n\) من عملات البرونز، قامت بوضعها في صف بترتيب عشوائي. لتكن ”السلسلة“ هي أي مجموعة متتالية من العملات من نفس النوع. معطى أن \(k\leqslant 2n\) عدد صحيح موجب محدد. تقوم ماريان بالعملية التالية بشكل متكرر: تحدد أطول سلسلة تحتوي على العملة رقم \(k\) من اليسار ثم تقوم بتحريك جميع العملات في تلك السلسلة إلى نهاية الطرف الأيسر من الصف. على سبيل المثال: إذا كان \(n=4\) و \(k=4\)، وليكن الوضع الابتدائي للعملات \(AABBBABA\) فإن تتابع العمليات ينبغي أن يكون كالتالي:
\[ AAB\underline{B}BABA\to BBB\underline{A}AABA\to AAA\underline{B}BBBA\to BBB\underline{B}AAAA\to BBB\underline{B}AAAA\to\cdots. \]
أوجد جميع الأزواج المرتبة \((n,k)\) بحيث \(1\leqslant k\leqslant 2n\) التي تحقق أنه لأي ترتيب ابتدائي، بعد وقت ما أثناء العملية، ستكون جميع العملات التي عددها \(n\) من اليسار من نفس النوع.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
جميع أزواج الأعداد الصحيحة الموجبة \((n,k)\) التي تحقق \[ \boxed{n\leqslant k\leqslant \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil}. \]
الحل
نسمّي السلسلة القصوى كتلة. وهكذا ينقسم الصف على نحو وحيد إلى كتل يتناوب نوعاها، وتنقل كل عملية الكتلة التي تحتوي على الموضع \(k\) بأكملها إلى بداية الصف. ونكتب \(A^a\) أو \(B^a\) للدلالة على \(a\) عملات متتالية من النوع المحدد.
نستبعد أولًا قيم \(k\) الواقعة خارج المجال المدّعى.
إذا كان \(k<n\)، فإن \(n\geqslant2\). لننظر إلى \[ A^{n-1}B^nA. \] ينتمي الموضع \(k\) إلى الكتلة الأولى، ولذلك تترك كل عملية هذا الصف دون تغيير. وليست عملاته الـ \(n\) الأولى من اليسار جميعها من النوع نفسه.
لنفترض الآن أن \[ k>\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil. \] ومرة أخرى، \(n\geqslant2\). نضع \[ a=\left\lfloor\frac n2\right\rfloor, \qquad b=\left\lceil\frac n2\right\rceil, \] ونبدأ بالترتيب \[ A^aB^aA^bB^b. \] هذه أربع كتل متناوبة، طول كل منها لا يقل عن \(a\). وبما أن \[ k> \left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil=2n-a, \] فإن الموضع \(k\) ينتمي إلى الكتلة الأخيرة كلما كان طولها لا يقل عن \(a\). ونقل الكتلة الأخيرة إلى البداية لا يفعل سوى تدوير الكتل الأربع دوريًا، دون دمج أي منها. ومن ثم يظل هذا الوصف صحيحًا إلى ما لا نهاية: فكل عملية تدوّر الكتل الأربع نفسها دوريًا.
يكون طول الكتلة الأولى دائمًا \(a\) أو \(b\)، وكلاهما أصغر تمامًا من \(n\). ولذلك لا يحقق هذا الترتيب الابتدائي المطلوب أبدًا.
يبقى أن نثبت أن كل قيمة \[ n\leqslant k\leqslant\left\lceil\frac{3n}{2}\right\rceil \] تفي بالغرض. نثبّت قيمة كهذه لـ \(k\)، ونفترض، طلبًا للتناقض، أن هناك ترتيبًا ابتدائيًا لا تكون فيه العملات الـ \(n\) الأولى من اليسار جميعها من النوع نفسه في أي وقت.
عندئذ يكون طول الكتلة الأولى في كل مرحلة على الأكثر \(n-1<k\)، فلا تكون الكتلة المختارة هي الأولى أبدًا. ليرمز \(r\) إلى عدد الكتل الحالي. ندرس كيف يتغير \(r\).
- إذا لم تكن الكتلة المختارة هي الأولى ولا الأخيرة، فإن إزالتها تصل بين جارتيها، وهما من النوع نفسه. ولذلك تنقص الإزالة عدد الكتل بمقدار اثنتين. وإضافة الكتلة المزالة إلى البداية تضيف كتلة واحدة على الأكثر، فتُنقص العملية \(r\) إنقاصًا تامًا.
- إذا كانت الكتلة المختارة هي الأخيرة، فإن إزالتها تنقص عدد الكتل بمقدار واحد. وإضافتها إلى البداية تعيد تلك الكتلة إذا وفقط إذا اختلف نوعها عن نوع الكتلة الأولى؛ وإلا فإنها تندمج مع الكتلة الأولى. ومن ثم يبقى \(r\) دون تغيير إذا وفقط إذا اختلف نوعا الكتلتين الأولى والأخيرة، وهذا يكافئ كون \(r\) زوجيًا.
إذن لا يزداد عدد الكتل أبدًا. ولأنه عدد صحيح موجب، فلا بد أن يستقر في النهاية على قيمة ثابتة. ومن تلك اللحظة فصاعدًا، تنقل كل عملية الكتلة الأخيرة إلى البداية، ويكون العدد الثابت \(r\) للكتل زوجيًا.
لا يمكن أن يكون عدد الكتل اثنتين فقط: فبما أن عدد العملات من كل نوع هو \(n\) بالضبط، فإن الصف ذا الكتلتين يكون \(A^nB^n\) أو \(B^nA^n\)، وهو يحقق المطلوب بالفعل. ومن ثم \(r\geqslant4\).
تدوّر العمليات اللاحقة هذه الكتل الـ \(r\) دوريًا دون تغيير أطوالها. ولذلك تصبح كل كتلة هي الأخيرة في مرحلة ما. فإذا كان طولها \(\ell\)، فإن مواضعها حين تكون أخيرة هي \[ 2n-\ell+1,\ldots,2n. \] ولكي تحتوي على الموضع \(k\)، يجب أن يكون \[ \ell\geqslant 2n-k+1. \] إذن تحتوي كل كتلة على \(2n-k+1\) عملة على الأقل.
وبما أن الكتل متناوبة وأن \(r\geqslant4\) زوجي، فهناك كتلتان من الألومنيوم على الأقل. وبعدّ عملاتهما نحصل على \[ n\geqslant2(2n-k+1). \] لكن الحد الأعلى المفترض لـ \(k\) يستلزم \(2k\leqslant3n+1\)، ولذلك \[ 2(2n-k+1)=4n-2k+2\geqslant n+1. \] وهذا يعطينا \(n\geqslant n+1\)، وهو تناقض.
إذن يحقق كل ترتيب ابتدائي المطلوب في نهاية المطاف، وذلك لكل القيم في المجال المذكور. ويشمل ذلك أيضًا \(n=1\)، حيث يكون المطلوب متحققًا منذ البداية لكلتا القيمتين الممكنتين لـ \(k\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.