IMO 2022 · Problem 6
Let \(n\) be a positive integer. A Nordic square is an \(n\times n\) board containing all the integers from \(1\) to \(n^2\) so that each cell contains exactly one number. Two different cells are considered adjacent if they share a common side. Every cell that is adjacent only to cells containing larger numbers is called a valley. An uphill path is a sequence of one or more cells such that:
(i) the first cell in the sequence is a valley,
(ii) each subsequent cell in the sequence is adjacent to the previous cell, and
(iii) the numbers written in the cells in the sequence are in increasing order.
Find, as a function of \(n\), the smallest possible total number of uphill paths in a Nordic square.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
Solution
Regard the cells as vertices of a graph, with an edge between two adjacent cells. This graph has \[ E=2n(n-1) \] edges.
For \(n=1\), the only cell is a valley and gives exactly one uphill path, as required. Henceforth let \(n\ge 2\).
Lower bound. For each cell \(v\), let \(p(v)\) be the number of uphill paths ending at \(v\), and let \(d^-(v)\) be the number of its neighbours containing smaller numbers.
Every cell is the endpoint of an uphill path: repeatedly moving to a smaller neighbour must eventually reach a valley, and reversing this sequence gives such a path. Thus \(p(v)\ge 1\).
If \(v\) is a valley, then \(p(v)=1\). Otherwise, partitioning paths according to their penultimate cell gives \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ adjacent to }v\\u\text{ contains a smaller number}}}p(u) \ge d^-(v). \] Consequently, if there are \(a\) valleys, the total number of uphill paths is at least \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] Here each edge contributes once to the sum, and the cell containing \(1\) is a valley.
We now construct a square attaining this bound.
Construction lemma. In every rectangular grid, one can select a set \(T\) of cells such that:
- the graph consisting of the selected cells and all adjacency edges between them is a tree;
- no two unselected cells are adjacent;
- at least one end cell of the bottom row is selected.
Proof. Fix the width and induct on the number of rows. For one row, select every cell.
Suppose a selection has been made in a rectangle. By reflecting it horizontally if necessary, we may assume that the leftmost cell of its bottom row is selected. Write the columns of the selected bottom-row cells as \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
Append a new bottom row. In this new row, select every cell except those in columns \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] stopping when the index becomes nonpositive.
The newly unselected cells are pairwise nonadjacent: between any two of their columns lies another \(c_i\). Moreover, each lies directly below an old selected cell. Thus no two unselected cells in the enlarged rectangle are adjacent.
The selected cells in the new row form disjoint horizontal blocks. Each block contains exactly one column \(c_i\) whose new cell is selected. Indeed, the excluded columns alternate among the \(c_i\), the last column \(c_k\) is not excluded, and if \(c_1\) is excluded then it is the very first column of the rectangle.
Therefore each new block is a path attached to the old selected tree by exactly one vertical edge. Adding these blocks preserves connectedness and creates no cycle, so the enlarged selected graph is a tree.
Finally, the rightmost cell of the new row is selected, since every excluded column is strictly smaller than \(c_k\). This proves the induction. \(\square\)
Apply the lemma to the \(n\times n\) board. Let \(T\) have \(t\) cells, and choose a root in its tree.
Place the numbers \(1,\ldots,t\) in the cells of \(T\) in nondecreasing order of their distance from the root, breaking ties arbitrarily. Place the remaining numbers in the unselected cells in any order.
The root is a valley. Every other cell of \(T\) has exactly one smaller neighbour: its parent in the rooted tree. All its other neighbours in \(T\) are children, and every unselected neighbour has a number greater than \(t\). It follows, successively along the tree, that \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
Every unselected cell \(w\) has all its neighbours in \(T\), and all these neighbours contain smaller numbers. Hence \[ p(w)=\deg(w). \]
There are no edges between unselected cells, while the tree on \(T\) has \(t-1\) edges. Therefore \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] The total number of uphill paths in this construction is consequently \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
This attains the lower bound and proves the answer.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 6
Es sei \(n\) eine positive ganze Zahl. Ein Nordisches Quadrat ist ein Spielbrett der Größe \(n\times n\), in dessen Feldern alle Zahlen von \(1\) bis \(n^2\) stehen, wobei jedes Feld genau eine Zahl enthält. Zwei verschiedene Felder heißen benachbart, wenn sie eine gemeinsame Seite besitzen. Jedes Feld, das nur benachbarte Felder mit größeren Zahlen hat, heißt Talfeld. Ein ansteigender Pfad ist eine Folge von einem oder mehreren Feldern mit den folgenden Eigenschaften:
(i) Das erste Feld in der Folge ist ein Talfeld.
(ii) Jedes weitere Feld der Folge ist benachbart zum vorigen Feld.
(iii) Die Zahlen in den Feldern der Folge sind in ansteigender Reihenfolge.
Man bestimme in Abhängigkeit von \(n\) die kleinstmögliche Gesamtzahl ansteigender Pfade in einem Nordischen Quadrat.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
Lösung
Wir betrachten die Felder als Knoten eines Graphen, in dem zwei benachbarte Felder durch eine Kante verbunden sind. Dieser Graph hat \[ E=2n(n-1) \] Kanten.
Für \(n=1\) ist das einzige Feld ein Talfeld und liefert wie gefordert genau einen ansteigenden Pfad. Im Folgenden sei \(n\ge 2\).
Untere Schranke. Für jedes Feld \(v\) sei \(p(v)\) die Anzahl der ansteigenden Pfade, die in \(v\) enden, und \(d^-(v)\) die Anzahl seiner Nachbarn mit kleineren Zahlen.
Jedes Feld ist Endpunkt eines ansteigenden Pfades: Geht man wiederholt zu einem Nachbarn mit kleinerer Zahl, so muss man schließlich ein Talfeld erreichen, und die Umkehrung dieser Folge ergibt einen solchen Pfad. Somit gilt \(p(v)\ge 1\).
Ist \(v\) ein Talfeld, so ist \(p(v)=1\). Andernfalls erhalten wir durch Aufteilen der Pfade nach ihrem vorletzten Feld \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ benachbart zu }v\\u\text{ enthält eine kleinere Zahl}}}p(u) \ge d^-(v). \] Gibt es \(a\) Talfelder, so beträgt die Gesamtzahl der ansteigenden Pfade folglich mindestens \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] Hierbei trägt jede Kante genau einmal zur Summe bei, und das Feld mit der Zahl \(1\) ist ein Talfeld.
Wir konstruieren nun ein Quadrat, das diese Schranke erreicht.
Konstruktionslemma. In jedem rechteckigen Gitter lässt sich eine Menge \(T\) von Feldern so auswählen, dass:
- der Graph aus den ausgewählten Feldern und allen Nachbarschaftskanten zwischen ihnen ein Baum ist;
- keine zwei nicht ausgewählten Felder benachbart sind;
- mindestens eines der beiden äußeren Felder der untersten Zeile ausgewählt ist.
Beweis. Wir halten die Breite fest und führen eine Induktion über die Anzahl der Zeilen. Bei einer Zeile wählen wir jedes Feld aus.
Angenommen, in einem Rechteck wurde eine solche Auswahl getroffen. Indem wir das Rechteck gegebenenfalls horizontal spiegeln, dürfen wir annehmen, dass das ganz links liegende Feld seiner untersten Zeile ausgewählt ist. Die Spalten der ausgewählten Felder in der untersten Zeile seien \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
Wir fügen unten eine neue Zeile an. In dieser neuen Zeile wählen wir jedes Feld aus, außer denen in den Spalten \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] wobei wir aufhören, sobald der Index nicht mehr positiv ist.
Die neuen nicht ausgewählten Felder sind paarweise nicht benachbart: Zwischen je zwei ihrer Spalten liegt ein weiteres \(c_i\). Außerdem liegt jedes unmittelbar unter einem alten ausgewählten Feld. Somit sind im vergrößerten Rechteck keine zwei nicht ausgewählten Felder benachbart.
Die ausgewählten Felder der neuen Zeile bilden disjunkte horizontale Blöcke. Jeder Block enthält genau eine Spalte \(c_i\), deren neues Feld ausgewählt ist. Tatsächlich sind unter den \(c_i\) abwechselnd Spalten ausgeschlossen und nicht ausgeschlossen, die letzte Spalte \(c_k\) ist nicht ausgeschlossen, und wenn \(c_1\) ausgeschlossen ist, handelt es sich um die allererste Spalte des Rechtecks.
Daher ist jeder neue Block ein Pfad, der durch genau eine vertikale Kante mit dem alten ausgewählten Baum verbunden ist. Das Hinzufügen dieser Blöcke erhält den Zusammenhang und erzeugt keinen Kreis, sodass der vergrößerte ausgewählte Graph ein Baum ist.
Schließlich ist das ganz rechts liegende Feld der neuen Zeile ausgewählt, da jede ausgeschlossene Spalte echt kleiner als \(c_k\) ist. Damit ist der Induktionsbeweis abgeschlossen. \(\square\)
Wir wenden das Lemma auf das \(n\times n\)-Spielbrett an. Die Menge \(T\) enthalte \(t\) Felder, und wir wählen in ihrem Baum eine Wurzel.
Wir tragen die Zahlen \(1,\ldots,t\) in die Felder von \(T\) in nicht abnehmender Reihenfolge ihres Abstands von der Wurzel ein, wobei wir bei gleichem Abstand die Reihenfolge beliebig wählen. Die übrigen Zahlen tragen wir in beliebiger Reihenfolge in die nicht ausgewählten Felder ein.
Die Wurzel ist ein Talfeld. Jedes andere Feld von \(T\) hat genau einen Nachbarn mit kleinerer Zahl: seinen Elternknoten im gewurzelten Baum. Alle seine anderen Nachbarn in \(T\) sind Kinder, und jeder nicht ausgewählte Nachbar hat eine Zahl größer als \(t\). Sukzessive entlang des Baumes folgt daraus \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
Jedes nicht ausgewählte Feld \(w\) hat alle seine Nachbarn in \(T\), und alle diese Nachbarn enthalten kleinere Zahlen. Daher gilt \[ p(w)=\deg(w). \]
Zwischen nicht ausgewählten Feldern gibt es keine Kanten, während der Baum auf \(T\) genau \(t-1\) Kanten hat. Daher gilt \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] Die Gesamtzahl der ansteigenden Pfade in dieser Konstruktion beträgt folglich \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
Damit wird die untere Schranke erreicht und die Antwort ist bewiesen.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 6
\(n\) bir pozitif tam sayı olsun. \(n\times n\) boyutunda, 1’den \(n^2\)’ye kadar olan tüm sayıları içeren ve her birim karede tam olarak bir tane sayının yazıldığı satranç tahtasına İskandinav kare diyelim. Ortak kenar paylaşan iki birim kareye komşu diyelim. Bir birim karede yazılan sayı, bu karenin tüm komşularında yazılan sayılardan küçükse bu birim kareye vadi diyelim. Aşağıdaki şartları sağlayan, bir veya birkaç kareden oluşan birim kare dizisine yokuş yukarı yol diyelim:
(i) Bu dizideki ilk birim kare bir vadidir,
(ii) Bu dizideki her birim kare, kendinden önce gelen birim kare ile komşudur,
(iii) Bu dizinin birim karelerinde yazılan sayılar artan sıradadır.
Bir İskandinav karedeki tüm yokuş yukarı yolların toplam sayısının alabileceği en küçük değeri \(n\) cinsinden bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
Çözüm
Birim kareleri bir grafın köşeleri olarak ele alalım ve komşu iki birim kare arasında bir kenar bulunsun. Bu grafın \[ E=2n(n-1) \] kenarı vardır.
\(n=1\) için tek birim kare bir vadidir ve istendiği gibi tam olarak bir yokuş yukarı yol verir. Bundan sonra \(n\ge 2\) olsun.
Alt sınır. Her \(v\) birim karesi için \(p(v)\), \(v\)'de biten yokuş yukarı yolların sayısı, \(d^-(v)\) ise daha küçük sayı içeren komşularının sayısı olsun.
Her birim kare bir yokuş yukarı yolun son birim karesidir: her adımda daha küçük sayı içeren bir komşuya gitmek eninde sonunda bir vadiye ulaştırır ve bu diziyi tersine çevirmek böyle bir yol verir. Dolayısıyla \(p(v)\ge 1\) olur.
\(v\) bir vadi ise \(p(v)=1\) olur. Aksi hâlde, yolları sondan bir önceki birim karelerine göre ayırmak \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ şu kareyle komşudur: }v\\u\text{ daha küçük bir sayı içerir}}}p(u) \ge d^-(v) \] verir. Sonuç olarak, \(a\) tane vadi varsa yokuş yukarı yolların toplam sayısı en az \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1 \] olur. Burada her kenar toplama bir kez katkıda bulunur ve \(1\) içeren birim kare bir vadidir.
Şimdi bu sınıra ulaşan bir kare inşa edeceğiz.
İnşa lemması. Her dikdörtgensel kareli tahtada, aşağıdaki koşulları sağlayan bir \(T\) birim kare kümesi seçilebilir:
- seçilen birim karelerden ve aralarındaki tüm komşuluk kenarlarından oluşan graf bir ağaçtır;
- seçilmeyen hiçbir iki birim kare komşu değildir;
- en alt satırın uçlarındaki birim karelerden en az biri seçilmiştir.
Kanıt. Genişliği sabitleyip satır sayısı üzerinden tümevarım yapalım. Bir satır için her birim kareyi seçelim.
Bir dikdörtgende seçim yapılmış olduğunu varsayalım. Gerekirse yatay yönde yansıtarak, en alt satırının en solundaki birim karenin seçildiğini varsayabiliriz. En alt satırda seçilen birim karelerin sütunlarını \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k \] ile gösterelim.
Alta yeni bir satır ekleyelim. Bu yeni satırda, \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] sütunlarındakiler dışında her birim kareyi seçelim; indis pozitif olmaktan çıktığında duralım.
Yeni satırda seçilmeyen birim kareler ikişer ikişer komşu değildir: sütunlarından herhangi ikisi arasında başka bir \(c_i\) bulunur. Ayrıca bunların her biri, eski bir seçilmiş birim karenin tam altında yer alır. Dolayısıyla genişletilmiş dikdörtgende seçilmeyen hiçbir iki birim kare komşu değildir.
Yeni satırdaki seçilmiş birim kareler, birbirinden ayrık yatay bloklar oluşturur. Her blok, yeni birim karesi seçilmiş olan tam olarak bir \(c_i\) sütunu içerir. Gerçekten, dışarıda bırakılan sütunlar \(c_i\)'ler arasında birer atlayarak yer alır, son sütun \(c_k\) dışarıda bırakılmaz ve \(c_1\) dışarıda bırakılırsa bu, dikdörtgenin en ilk sütunudur.
Dolayısıyla her yeni blok, eski seçilmiş ağaca tam olarak bir düşey kenarla bağlanan bir yoldur. Bu blokları eklemek bağlantılılığı korur ve hiçbir döngü oluşturmaz; dolayısıyla genişletilmiş seçilmiş graf bir ağaçtır.
Son olarak, dışarıda bırakılan her sütun \(c_k\)'dan kesin olarak küçük olduğundan yeni satırın en sağındaki birim kare seçilmiştir. Bu, tümevarımı tamamlar. \(\square\)
Lemmayı \(n\times n\) tahtaya uygulayalım. \(T\)'de \(t\) birim kare olsun ve ağacında bir kök seçelim.
\(1,\ldots,t\) sayılarını, \(T\)'nin birim karelerine kökten uzaklıkları azalmayacak sırada yerleştirelim; aynı uzaklıktakilerin sırasını keyfî seçelim. Kalan sayıları seçilmemiş birim karelere herhangi bir sırayla yerleştirelim.
Kök bir vadidir. \(T\)'nin diğer her birim karesinin daha küçük sayı içeren tam olarak bir komşusu vardır: köklü ağaçtaki ebeveyni. \(T\)'deki diğer tüm komşuları çocuklarıdır ve seçilmemiş her komşusunda \(t\)'den büyük bir sayı vardır. Ağaç boyunca sırayla ilerleyerek \[ p(v)=1\qquad(v\in T) \] elde edilir.
Seçilmemiş her \(w\) birim karesinin tüm komşuları \(T\)'dedir ve bu komşuların tümü daha küçük sayılar içerir. Dolayısıyla \[ p(w)=\deg(w). \]
Seçilmemiş birim kareler arasında kenar yoktur; \(T\) üzerindeki ağacın ise \(t-1\) kenarı vardır. Bu nedenle \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] Sonuç olarak bu inşadaki yokuş yukarı yolların toplam sayısı \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1 \] olur.
Bu, alt sınıra ulaşır ve cevabı kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 6
Sea \(n\) un número entero positivo. Un cuadrado nórdico es un tablero \(n\times n\) que contiene todos los números enteros del \(1\) al \(n^2\) de modo que cada celda contiene exactamente un número. Dos celdas diferentes son adyacentes si comparten un mismo lado. Una celda que solamente es adyacente a celdas que contienen números mayores se llama un valle. Un camino ascendente es una sucesión de una o más celdas tales que:
(i) la primera celda de las sucesión es un valle,
(ii) cada celda subsiguiente de la sucesión es adyacente a la celda anterior, y
(iii) los números escritos en las celdas de la sucesión están en orden creciente.
Hallar, como función de \(n\), el menor número total de caminos ascendentes en un cuadrado nórdico.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
Solución
Consideremos las celdas como vértices de un grafo, con una arista entre cada par de celdas adyacentes. Este grafo tiene \[ E=2n(n-1) \] aristas.
Para \(n=1\), la única celda es un valle y da exactamente un camino ascendente, como se requiere. En adelante, sea \(n\ge 2\).
Cota inferior. Para cada celda \(v\), sea \(p(v)\) el número de caminos ascendentes que terminan en \(v\), y sea \(d^-(v)\) el número de sus vecinas que contienen números menores.
Toda celda es el extremo final de un camino ascendente: al pasar repetidamente a una vecina con un número menor se debe llegar finalmente a un valle, e invertir esta sucesión da un camino de ese tipo. Así pues, \(p(v)\ge 1\).
Si \(v\) es un valle, entonces \(p(v)=1\). En caso contrario, al agrupar los caminos según su penúltima celda obtenemos \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ adyacente a }v\\u\text{ contiene un número menor}}}p(u) \ge d^-(v). \] Por consiguiente, si hay \(a\) valles, el número total de caminos ascendentes es al menos \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] Aquí cada arista contribuye una vez a la suma, y la celda que contiene \(1\) es un valle.
Ahora construimos un cuadrado que alcanza esta cota.
Lema de construcción. En toda cuadrícula rectangular se puede seleccionar un conjunto \(T\) de celdas tal que:
- el grafo formado por las celdas seleccionadas y todas las aristas de adyacencia entre ellas es un árbol;
- no hay dos celdas no seleccionadas que sean adyacentes;
- al menos una de las celdas de los extremos de la fila inferior está seleccionada.
Demostración. Fijemos el ancho y procedamos por inducción sobre el número de filas. Para una sola fila, seleccionamos todas las celdas.
Supongamos que se ha hecho una selección en un rectángulo. Reflejándolo horizontalmente si es necesario, podemos suponer que la celda más a la izquierda de su fila inferior está seleccionada. Escribamos las columnas de las celdas seleccionadas de la fila inferior como \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
Añadamos una nueva fila inferior. En esta nueva fila, seleccionamos todas las celdas excepto las de las columnas \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] deteniéndonos cuando el índice deja de ser positivo.
Las nuevas celdas no seleccionadas no son adyacentes entre sí: entre las columnas de cualesquiera dos de ellas hay otro \(c_i\). Además, cada una está directamente debajo de una celda antigua seleccionada. Así pues, no hay dos celdas no seleccionadas que sean adyacentes en el rectángulo ampliado.
Las celdas seleccionadas de la nueva fila forman bloques horizontales disjuntos. Cada bloque contiene exactamente una columna \(c_i\) cuya nueva celda está seleccionada. En efecto, las columnas excluidas se alternan entre las \(c_i\), la última columna \(c_k\) no está excluida, y si \(c_1\) está excluida, entonces es la primera columna del rectángulo.
Por tanto, cada nuevo bloque es un camino unido al antiguo árbol de celdas seleccionadas por exactamente una arista vertical. Añadir estos bloques preserva la conexidad y no crea ningún ciclo, de modo que el grafo ampliado de celdas seleccionadas es un árbol.
Finalmente, la celda más a la derecha de la nueva fila está seleccionada, ya que todas las columnas excluidas son estrictamente menores que \(c_k\). Esto completa la inducción. \(\square\)
Apliquemos el lema al tablero \(n\times n\). Supongamos que \(T\) tiene \(t\) celdas, y elijamos una raíz en su árbol.
Coloquemos los números \(1,\ldots,t\) en las celdas de \(T\) en orden no decreciente de su distancia a la raíz, deshaciendo los empates arbitrariamente. Coloquemos los números restantes en las celdas no seleccionadas en cualquier orden.
La raíz es un valle. Cualquier otra celda de \(T\) tiene exactamente una vecina con un número menor: su padre en el árbol enraizado. Todas sus demás vecinas en \(T\) son hijas, y toda vecina no seleccionada tiene un número mayor que \(t\). Se deduce, avanzando sucesivamente por el árbol, que \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
Toda celda no seleccionada \(w\) tiene todas sus vecinas en \(T\), y todas estas vecinas contienen números menores. Por tanto, \[ p(w)=\deg(w). \]
No hay aristas entre celdas no seleccionadas, mientras que el árbol sobre \(T\) tiene \(t-1\) aristas. Por tanto, \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] Por consiguiente, el número total de caminos ascendentes en esta construcción es \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
Esto alcanza la cota inferior y demuestra la respuesta.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 6
令 \(n\) 为一正整数。一个「北欧方阵」是一个包含 \(1\) 至 \(n^2\) 所有整数的 \(n\times n\) 方格表,使得每个方格内恰有一个数字。两个相异方格是相邻的如果他们有公共边。一个方格被称为「山谷」,若其内的数字比所有相邻方格内的数字都小。一条「上坡路径」是一个包含一或多个方格的序列,满足:
(i) 序列的第一个方格是山谷,
(ii) 序列中随后的每个方格都和其前一个方格相邻,且
(iii) 序列中方格内所写的数字递增。
试求一个北欧方阵中上坡路径数量的最小可能值,以 \(n\) 的函数表示之。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
解答
将方格看作图的顶点,在两个相邻方格之间连一条边。这个图有 \[ E=2n(n-1) \] 条边。
当 \(n=1\) 时,唯一的方格是山谷,恰好产生一条上坡路径,符合要求。以下设 \(n\ge 2\)。
下界。 对每个方格 \(v\),令 \(p(v)\) 为以 \(v\) 为终点的上坡路径数,令 \(d^-(v)\) 为其相邻方格中数字比它小的方格数。
每个方格都是某条上坡路径的终点:不断移到数字更小的相邻方格,最终必定到达一个山谷,将这一序列逆序就得到这样一条路径。因此 \(p(v)\ge 1\)。
若 \(v\) 是山谷,则 \(p(v)=1\)。否则,按路径的倒数第二个方格分类,得到 \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ 相邻于 }v\\u\text{ 内的数字更小}}}p(u) \ge d^-(v). \] 因此,若有 \(a\) 个山谷,则上坡路径总数至少为 \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] 这里每条边对求和贡献一次,且填有 \(1\) 的方格是一个山谷。
现在构造一个达到该下界的方阵。
构造引理。 在每个长方形网格中,都可以选出一个方格集合 \(T\),使得:
- 由选中的方格及它们之间的所有相邻边组成的图是一棵树;
- 任意两个未选中的方格都不相邻;
- 最下面一行的两个端点方格中至少有一个被选中。
证明。 固定宽度,对行数用数学归纳法。当只有一行时,选中所有方格。
假设已在一个长方形中完成了选择。必要时将其左右翻转,可设最下面一行的最左端方格被选中。将最下面一行中被选中的方格所在的列记为 \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
在下面添加一个新行。在这一新行中,除以下各列的方格外,选中所有方格: \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] 当下标变为非正数时停止。
新出现的未选中方格两两不相邻:它们中任意两个所在的列之间,都有另一个 \(c_i\)。此外,每个这样的方格都恰好位于原来某个被选中的方格下方。因此,在扩大的长方形中,任意两个未选中的方格都不相邻。
新行中被选中的方格形成若干互不相交的水平块。每个块都恰好包含一个列 \(c_i\),且该列的新方格被选中。事实上,在各个 \(c_i\) 中,被排除的列交替出现,最后一列 \(c_k\) 不被排除,而若 \(c_1\) 被排除,则它就是长方形的第一列。
因此,每个新块都是一条路径,并且恰好通过一条竖直边与原来选中的树相连。添加这些块保持了连通性,且不产生圈,所以扩大的选中子图是一棵树。
最后,新行的最右端方格被选中,因为每个被排除的列都严格小于 \(c_k\)。归纳完成。\(\square\)
将引理应用于 \(n\times n\) 方格表。设 \(T\) 有 \(t\) 个方格,并在其树中选取一个根。
按到根的距离非递减的顺序,将数字 \(1,\ldots,t\) 填入 \(T\) 的方格中,距离相同时任意排序。将剩余的数字以任意顺序填入未选中的方格。
根是一个山谷。\(T\) 的每个其他方格都恰有一个数字更小的相邻方格:它在这棵有根树中的父顶点。它在 \(T\) 中的所有其他相邻方格都是子顶点,而每个未选中的相邻方格中的数字都大于 \(t\)。沿树依次推得 \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
每个未选中的方格 \(w\) 的所有相邻方格都在 \(T\) 中,且这些相邻方格中的数字都更小。因此 \[ p(w)=\deg(w). \]
未选中的方格之间没有边,而 \(T\) 上的树有 \(t-1\) 条边。因此 \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] 所以,这一构造中的上坡路径总数为 \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
这达到了下界,从而证明了答案。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 6
Пусть \(n\) — целое положительное число. Нордическим квадратом будем называть любую таблицу \(n\times n\), клетки которой заполнены числами от \(1\) до \(n^2\) так, что каждое число использовано по одному разу и в каждой клетке записано ровно одно число. Две клетки назовём соседними, если у них есть общая сторона. Долиной назовём любую клетку, такую что во всех соседних с ней клетках записаны числа, большие чем в ней. Подъёмом назовём последовательность, состоящую из не менее чем одной клетки, такую что
-
первая клетка в последовательности — долина;
-
каждая следующая клетка последовательности является соседней с предыдущей;
-
числа, записанные в клетках последовательности, расположены в порядке возрастания.
Для каждого заданного \(n\) найдите наименьшее возможное количество всех подъёмов в нордическом квадрате.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
Решение
Будем считать клетки вершинами графа, в котором две соседние клетки соединены ребром. Этот граф имеет \[ E=2n(n-1) \] рёбер.
При \(n=1\) единственная клетка является долиной и даёт ровно один подъём, как и требуется. Далее пусть \(n\ge 2\).
Нижняя оценка. Для каждой клетки \(v\) обозначим через \(p(v)\) число подъёмов, заканчивающихся в \(v\), а через \(d^-(v)\) — число соседних с ней клеток, содержащих меньшие числа.
Каждая клетка является концом некоторого подъёма: последовательно переходя в соседнюю клетку с меньшим числом, мы рано или поздно придём в долину, а записав эту последовательность в обратном порядке, получим такой подъём. Таким образом, \(p(v)\ge 1\).
Если \(v\) — долина, то \(p(v)=1\). В противном случае, разбивая подъёмы на группы по предпоследней клетке, получаем \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ соседняя с }v\\u\text{ содержит меньшее число}}}p(u) \ge d^-(v). \] Следовательно, если имеется \(a\) долин, то общее число подъёмов не меньше \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] Здесь каждое ребро учитывается в сумме один раз, а клетка, содержащая \(1\), является долиной.
Теперь построим квадрат, на котором эта оценка достигается.
Лемма о построении. В любой прямоугольной таблице можно выбрать множество \(T\) клеток так, чтобы:
- граф, состоящий из выбранных клеток и всех рёбер между соседними выбранными клетками, был деревом;
- никакие две невыбранные клетки не были соседними;
- хотя бы одна крайняя клетка нижней строки была выбрана.
Доказательство. Зафиксируем ширину и проведём индукцию по числу строк. Для одной строки выберем все клетки.
Предположим, что в некотором прямоугольнике клетки уже выбраны. При необходимости отразив его слева направо, можно считать, что самая левая клетка его нижней строки выбрана. Обозначим номера столбцов выбранных клеток нижней строки через \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
Добавим новую нижнюю строку. В этой новой строке выберем все клетки, кроме клеток в столбцах \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] останавливаясь, когда индекс становится неположительным.
Новые невыбранные клетки попарно не соседние: между столбцами любых двух из них находится ещё один столбец \(c_i\). Кроме того, каждая из них находится непосредственно под старой выбранной клеткой. Таким образом, в увеличенном прямоугольнике никакие две невыбранные клетки не являются соседними.
Выбранные клетки новой строки образуют непересекающиеся горизонтальные блоки. Каждый блок содержит ровно один столбец \(c_i\), в котором новая клетка выбрана. Действительно, исключённые столбцы чередуются среди \(c_i\), последний столбец \(c_k\) не исключён, а если исключён \(c_1\), то он является самым первым столбцом прямоугольника.
Поэтому каждый новый блок представляет собой путь, присоединённый к старому дереву выбранных клеток ровно одним вертикальным ребром. Добавление этих блоков сохраняет связность и не создаёт циклов, так что увеличенный граф выбранных клеток является деревом.
Наконец, самая правая клетка новой строки выбрана, поскольку номер каждого исключённого столбца строго меньше \(c_k\). Это завершает индукцию. \(\square\)
Применим лемму к таблице \(n\times n\). Пусть \(T\) содержит \(t\) клеток, и выберем корень в соответствующем дереве.
Расставим числа \(1,\ldots,t\) в клетках \(T\) в порядке неубывания расстояния от корня, упорядочивая клетки на одинаковом расстоянии произвольно. Остальные числа расставим в невыбранных клетках в любом порядке.
Корень является долиной. У каждой другой клетки из \(T\) есть ровно одна соседняя клетка с меньшим числом: её родитель в корневом дереве. Все остальные соседние с ней клетки из \(T\) являются её детьми, а каждая невыбранная соседняя клетка содержит число, большее \(t\). Последовательно двигаясь по дереву, получаем \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
У каждой невыбранной клетки \(w\) все соседние клетки принадлежат \(T\) и содержат меньшие числа. Поэтому \[ p(w)=\deg(w). \]
Между невыбранными клетками нет рёбер, а дерево на \(T\) имеет \(t-1\) рёбер. Следовательно, \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] Таким образом, общее число подъёмов в этом построении равно \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
Нижняя оценка достигнута, и ответ доказан.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 6
ليكن \(n\) عدداً صحيحاً موجباً. ”المربع الشمالي“ هو جدول \(n\times n\) يحتوي على جميع الأعداد الصحيحة من \(1\) إلى \(n^2\) بحيث تحتوي كل خلية على عدد واحد بالضبط. نعتبر الخليتين المختلفتين متجاورتين إذا كان لهما ضلع مشترك. يقال لخلية بأنها ”وادي“ إذا كانت تجاورها خلايا تحتوي على أعداد أكبر من العدد الذي تحتويه. نعرف ”المسار الشاق“ على أنه سلسلة تتكون من خلية واحدة أو أكثر تحقق:
(i) الخلية الأولى في المسار هي ”وادي“،
(ii) أي خلية تالية في السلسلة تكون مجاورة لخلية سابقة،
(iii) الأعداد المكتوبة في الخلايا المتتابعة في السلسلة تكون في ترتيب تصاعدي.
أوجد كدالة في \(n\) أصغر عدد ممكن من ”المسارات الشاقة“ في ”المربع الشمالي“.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{2n(n-1)+1=n^2+(n-1)^2}. \]
الحل
نعدّ الخلايا رؤوسًا لرسم بياني، ونصل بحافة بين كل خليتين متجاورتين. لهذا الرسم البياني \[ E=2n(n-1) \] حافة.
عندما يكون \(n=1\)، تكون الخلية الوحيدة واديًا وتعطي مسارًا شاقًا واحدًا بالضبط، كما هو مطلوب. ومن الآن فصاعدًا، ليكن \(n\ge 2\).
الحد الأدنى. لكل خلية \(v\)، ليكن \(p(v)\) عدد المسارات الشاقة التي تنتهي عند \(v\)، وليكن \(d^-(v)\) عدد جاراتها التي تحتوي على أعداد أصغر.
كل خلية هي نهاية مسار شاق: فالانتقال المتكرر إلى خلية مجاورة ذات عدد أصغر لا بد أن يصل في النهاية إلى وادٍ، وعكس هذه السلسلة يعطي مسارًا كهذا. ولذلك \(p(v)\ge 1\).
إذا كانت \(v\) واديًا، فإن \(p(v)=1\). وإلا، فإن تقسيم المسارات بحسب خليتها قبل الأخيرة يعطي \[ p(v)=\sum_{\substack{u\text{ مجاورة لـ }v\\u\text{ تحتوي على عدد أصغر}}}p(u) \ge d^-(v). \] ومن ثم، إذا كان هناك \(a\) من الوديان، فإن العدد الكلي للمسارات الشاقة لا يقل عن \[ a+\sum_v d^-(v)=a+E\ge E+1. \] هنا تسهم كل حافة مرة واحدة في المجموع، والخلية التي تحتوي على \(1\) وادٍ.
ننشئ الآن مربعًا يبلغ هذا الحد.
لمّة الإنشاء. في كل شبكة مستطيلة، يمكن اختيار مجموعة \(T\) من الخلايا بحيث:
- يكون الرسم البياني المؤلف من الخلايا المختارة وجميع حواف التجاور بينها شجرة؛
- لا تتجاور أي خليتين غير مختارتين؛
- تكون إحدى خليتي طرفي الصف السفلي على الأقل مختارة.
البرهان. نثبّت العرض ونستقرئ على عدد الصفوف. في حالة صف واحد، نختار كل الخلايا.
لنفترض أننا أجرينا اختيارًا في مستطيل. بعكسه أفقيًا عند الحاجة، يمكننا افتراض أن الخلية الواقعة أقصى يسار صفه السفلي مختارة. لنكتب أرقام أعمدة الخلايا المختارة في الصف السفلي على الصورة \[ 1=c_1<c_2<\cdots<c_k. \]
نضيف صفًا سفليًا جديدًا. في هذا الصف الجديد، نختار كل الخلايا ما عدا تلك الواقعة في الأعمدة \[ c_{k-1},c_{k-3},c_{k-5},\ldots, \] ونتوقف حين يصبح الدليل غير موجب.
الخلايا غير المختارة الجديدة غير متجاورة مثنى مثنى: فبين عمودي أي اثنتين منها يوجد \(c_i\) آخر. علاوة على ذلك، تقع كل منها مباشرة تحت خلية قديمة مختارة. ولذلك لا تتجاور أي خليتين غير مختارتين في المستطيل الموسّع.
تشكّل الخلايا المختارة في الصف الجديد كتلًا أفقية منفصلة. وتحتوي كل كتلة على عمود واحد بالضبط من الأعمدة \(c_i\) تكون خليته الجديدة مختارة. بالفعل، تتناوب الأعمدة المستبعدة بين الأعمدة \(c_i\)، ولا يُستبعد العمود الأخير \(c_k\)، وإذا استُبعد \(c_1\) فإنه يكون أول عمود في المستطيل نفسه.
ولذلك تكون كل كتلة جديدة مسارًا متصلًا بالشجرة القديمة المختارة بحافة رأسية واحدة بالضبط. وإضافة هذه الكتل تحافظ على الاتصال ولا تنشئ أي دورة، فيكون الرسم البياني المختار الموسّع شجرة.
أخيرًا، تكون الخلية الواقعة أقصى يمين الصف الجديد مختارة، لأن كل عمود مستبعد أصغر تمامًا من \(c_k\). وهذا يثبت خطوة الاستقراء. \(\square\)
نطبّق اللمّة على الجدول \(n\times n\). لتكن \(T\) مؤلفة من \(t\) خلية، ولنختر جذرًا في شجرتها.
نضع الأعداد \(1,\ldots,t\) في خلايا \(T\) بترتيب غير تناقصي لمسافاتها من الجذر، ونرتّب الخلايا المتساوية المسافة كيفما نشاء. ونضع الأعداد المتبقية في الخلايا غير المختارة بأي ترتيب.
الجذر وادٍ. ولكل خلية أخرى من \(T\) جارة واحدة بالضبط ذات عدد أصغر: هي خليتها الأم في الشجرة المجذّرة. وجميع جاراتها الأخرى في \(T\) بنات لها، وكل جارة غير مختارة لها عدد أكبر من \(t\). وينتج، بالتتابع على طول الشجرة، أن \[ p(v)=1\qquad(v\in T). \]
كل خلية غير مختارة \(w\) تقع جميع جاراتها في \(T\)، وتحتوي جميع هذه الجارات على أعداد أصغر. ومن ثم \[ p(w)=\deg(w). \]
لا توجد حواف بين الخلايا غير المختارة، بينما للشجرة على \(T\) عدد من الحواف يساوي \(t-1\). ولذلك \[ \sum_{w\notin T}\deg(w)=E-(t-1). \] وبالتالي يكون العدد الكلي للمسارات الشاقة في هذا الإنشاء \[ \sum_v p(v) =t+\sum_{w\notin T}\deg(w) =t+E-(t-1) =E+1 =2n(n-1)+1. \]
وهذا يبلغ الحد الأدنى ويثبت الإجابة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.