IMO 2023 · Problem 5
Let \(n\) be a positive integer. A Japanese triangle consists of \(1+2+\cdots+n\) circles arranged in an equilateral triangular shape such that for each \(i=1,2,\ldots,n\), the \(i^{\mathrm{th}}\) row contains exactly \(i\) circles, exactly one of which is coloured red. A ninja path in a Japanese triangle is a sequence of \(n\) circles obtained by starting in the top row, then repeatedly going from a circle to one of the two circles immediately below it and finishing in the bottom row. Here is an example of a Japanese triangle with \(n=6\), along with a ninja path in that triangle containing two red circles.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
In terms of \(n\), find the greatest \(k\) such that in each Japanese triangle there is a ninja path containing at least \(k\) red circles.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
Equivalently, \(k\) is the unique positive integer satisfying \(2^{k-1}\le n<2^k\).
Solution
Number the circles in each row from left to right. Give the circle in row \(i\), column \(j\), the coordinates \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] Thus \(x,y\) are nonnegative integers, its row number is \(x+y+1\), and a downward step increases exactly one coordinate by \(1\).
Consequently, a circle \((x,y)\) can reach a circle \((x',y')\) by downward steps if and only if \[ x\le x'\quad\text{and}\quad y\le y'. \] Call a sequence of distinct red circles increasing in both coordinates a chain. Every chain can be joined by downward steps and extended to a complete ninja path. Conversely, the red circles on any ninja path form a chain. Therefore the largest number of red circles on a ninja path equals the largest size of a chain.
We first establish a bound for sets containing no two comparable circles; call such a set an antichain.
Claim. If an antichain contains \(s\) circles, every one of them lies in row \(s\) or below.
Indeed, arrange their coordinates so that \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] The \(x\)-coordinates are distinct, since two circles with equal \(x\)-coordinates would be comparable. Incomparability also gives \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] Since these coordinates are nonnegative integers, \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] Thus the row number of the \(t\)-th circle is \[ x_t+y_t+1\ge s, \] proving the claim.
Now consider any Japanese triangle, and let \(M\) be the largest size of a red chain. Label each red circle by the largest size of a red chain ending at that circle. These labels lie in \(\{1,\ldots,M\}\). If one red circle precedes another, the latter has a strictly larger label, because we can append it to a longest chain ending at the former. Hence circles with the same label form an antichain.
The nonempty label classes therefore partition the red circles into \(q\le M\) antichains. Order these antichains as \(A_1,\ldots,A_q\) by their smallest row numbers \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] Write \(s_t=|A_t|\) and \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] The claim gives \(s_t\le r_t\). Moreover, every red circle in a row before \(r_t\) belongs to one of \(A_1,\ldots,A_{t-1}\). There is one red circle in each such row, so \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] Combining these inequalities yields \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] Starting from \(S_0=0\), induction gives \(S_t\le 2^t-1\). In particular, \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] If \(2^{k-1}\le n<2^k\), this forces \(M\ge k\). Thus every Japanese triangle has a ninja path containing at least \(k\) red circles.
To show that this bound is sharp, partition the rows into the \(k\) blocks \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] In row \(i\) of block \(t\), colour the circle in column \[ j_i=2^{t+1}-i \] red. This is a valid column: the inequalities \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) imply \[ 1\le j_i\le i. \]
Within each block, the columns of the red circles strictly decrease as the row number increases. Along a ninja path, however, the column number either stays unchanged or increases by \(1\) at every step. Therefore a ninja path can contain at most one red circle from each block, and hence at most \(k\) red circles altogether.
The universal bound and this construction prove the answer for every positive integer \(n\), including \(n=1\).
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2023 · Aufgabe 5
Sei \(n\) eine positive ganze Zahl. Ein Japanisches Dreieck besteht aus \(1+2+\cdots+n\) Kreisen, die in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind, sodass für jedes \(i=1,2,\ldots,n\) die \(i\)-te Zeile genau \(i\) Kreise enthält, von denen genau einer rot gefärbt ist. Ein Ninja-Pfad in einem Japanischen Dreieck ist eine Folge von \(n\) Kreisen, bei der man, beginnend in der obersten Reihe, wiederholt von einem Kreis zu einem der beiden unmittelbar darunterliegenden Kreise geht, bis die unterste Reihe erreicht ist. Das Bild zeigt ein Japanisches Dreieck mit \(n=6\) und einen Ninja-Pfad mit zwei roten Kreisen in diesem Dreieck.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
Man bestimme, in Abhängigkeit von \(n\), das größte \(k\), sodass es in jedem Japanischen Dreieck einen Ninja-Pfad mit mindestens \(k\) roten Kreisen gibt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
Äquivalent dazu ist \(k\) die eindeutig bestimmte positive ganze Zahl mit \(2^{k-1}\le n<2^k\).
Lösung
Wir nummerieren die Kreise in jeder Reihe von links nach rechts. Dem Kreis in Reihe \(i\) und Spalte \(j\) geben wir die Koordinaten \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] Somit sind \(x,y\) nichtnegative ganze Zahlen, seine Reihennummer ist \(x+y+1\), und ein Schritt nach unten erhöht genau eine Koordinate um \(1\).
Folglich kann man von einem Kreis \((x,y)\) durch Schritte nach unten genau dann zu einem Kreis \((x',y')\) gelangen, wenn \[ x\le x'\quad\text{und}\quad y\le y'. \] Eine Folge verschiedener roter Kreise, deren beide Koordinaten monoton nicht fallend sind, nennen wir eine Kette. Jede Kette lässt sich durch Schritte nach unten verbinden und zu einem vollständigen Ninja-Pfad erweitern. Umgekehrt bilden die roten Kreise auf jedem Ninja-Pfad eine Kette. Daher ist die größte Anzahl roter Kreise auf einem Ninja-Pfad gleich der größten Mächtigkeit einer Kette.
Zunächst beweisen wir eine Schranke für Mengen, in denen keine zwei Kreise vergleichbar sind; eine solche Menge nennen wir eine Antikette.
Behauptung. Enthält eine Antikette \(s\) Kreise, so liegt jeder von ihnen in Reihe \(s\) oder darunter.
Wir ordnen dazu ihre Koordinaten so an, dass \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] Die \(x\)-Koordinaten sind verschieden, da zwei Kreise mit gleichen \(x\)-Koordinaten vergleichbar wären. Aus der Unvergleichbarkeit folgt außerdem \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] Da diese Koordinaten nichtnegative ganze Zahlen sind, gilt \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] Somit ist die Reihennummer des \(t\)-ten Kreises \[ x_t+y_t+1\ge s, \] womit die Behauptung bewiesen ist.
Wir betrachten nun ein beliebiges Japanisches Dreieck, und \(M\) sei die größte Mächtigkeit einer roten Kette. Wir beschriften jeden roten Kreis mit der größten Mächtigkeit einer roten Kette, die bei diesem Kreis endet. Diese Beschriftungen liegen in \(\{1,\ldots,M\}\). Geht ein roter Kreis einem anderen voraus, so hat der letztere eine echt größere Beschriftung, da wir ihn an eine längste Kette anhängen können, die beim ersteren endet. Daher bilden Kreise mit derselben Beschriftung eine Antikette.
Die nichtleeren Beschriftungsklassen zerlegen somit die roten Kreise in \(q\le M\) Antiketten. Wir ordnen diese Antiketten als \(A_1,\ldots,A_q\) nach ihren kleinsten Reihennummern \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] Wir schreiben \(s_t=|A_t|\) und \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] Die Behauptung liefert \(s_t\le r_t\). Außerdem gehört jeder rote Kreis in einer Reihe vor \(r_t\) zu einer der Antiketten \(A_1,\ldots,A_{t-1}\). In jeder solchen Reihe gibt es einen roten Kreis, also \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] Zusammen ergeben diese Ungleichungen \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] Ausgehend von \(S_0=0\) folgt durch Induktion \(S_t\le 2^t-1\). Insbesondere gilt \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] Gilt \(2^{k-1}\le n<2^k\), so folgt daraus zwingend \(M\ge k\). Somit gibt es in jedem Japanischen Dreieck einen Ninja-Pfad mit mindestens \(k\) roten Kreisen.
Um zu zeigen, dass diese Schranke scharf ist, zerlegen wir die Reihen in die \(k\) Blöcke \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] In Reihe \(i\) des Blocks \(t\) färben wir den Kreis in Spalte \[ j_i=2^{t+1}-i \] rot. Dies ist eine zulässige Spalte: Aus den Ungleichungen \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) folgt \[ 1\le j_i\le i. \]
Innerhalb jedes Blocks nehmen die Spaltennummern der roten Kreise mit zunehmender Reihennummer streng ab. Entlang eines Ninja-Pfads bleibt jedoch die Spaltennummer bei jedem Schritt entweder unverändert oder erhöht sich um \(1\). Daher kann ein Ninja-Pfad höchstens einen roten Kreis aus jedem Block enthalten, also insgesamt höchstens \(k\) rote Kreise.
Die allgemeingültige Schranke und diese Konstruktion beweisen die Antwort für jede positive ganze Zahl \(n\), einschließlich \(n=1\).
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2023 · Soru 5
\(n\) bir pozitif tam sayı olsun. Bir Japon üçgeni, \(1+2+\cdots+n\) adet çemberin, eşkenar üçgen şeklinde ve her \(i=1,2,\ldots,n\) için \(i\). satırda tam olarak bir tanesi kırmızı olan \(i\) tane çember bulunacak şekilde yerleştirilmesiyle oluşmaktadır. Japon üçgenindeki bir ninja yolu, en tepedeki çemberden başlayıp her defasında bulunduğu çemberin hemen altındaki iki çemberden birine giderek en alt satırda biten, \(n\) adet çemberden oluşan bir dizidir. Aşağıda, \(n=6\) durumunda bir Japon üçgeni ve iki adet kırmızı çember içeren bir ninja yolunun örneği verilmiştir.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
Her Japon üçgeninde en az \(k\) adet kırmızı çember içeren bir ninja yolu bulunuyorsa, \(k\) sayısının alabileceği en büyük değeri \(n\) cinsinden belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
Eş değer olarak, \(k\), \(2^{k-1}\le n<2^k\) eşitsizliğini sağlayan tek pozitif tam sayıdır.
Çözüm
Her satırdaki çemberleri soldan sağa numaralandıralım. \(i\). satırın \(j\). sütunundaki çembere \[ (x,y)=(j-1,i-j) \] koordinatlarını verelim. Böylece \(x,y\) negatif olmayan tam sayılardır, çemberin satır numarası \(x+y+1\)'dir ve aşağı doğru atılan bir adım, koordinatlardan tam olarak birini \(1\) artırır.
Dolayısıyla bir \((x,y)\) çemberinden bir \((x',y')\) çemberine aşağı doğru adımlarla ulaşılabilmesi için gerek ve yeter koşul \[ x\le x'\quad\text{ve}\quad y\le y' \] olmasıdır. Her iki koordinatı da azalmayan, birbirinden farklı kırmızı çemberlerden oluşan bir diziye zincir diyelim. Her zincir, aşağı doğru adımlarla birleştirilip tam bir ninja yoluna uzatılabilir. Tersine, herhangi bir ninja yolundaki kırmızı çemberler bir zincir oluşturur. Bu nedenle bir ninja yolundaki en fazla kırmızı çember sayısı, bir zincirdeki en fazla çember sayısına eşittir.
Önce, karşılaştırılabilir iki çember içermeyen kümeler için bir sınır elde edelim; böyle bir kümeye antizincir diyelim.
İddia. Bir antizincir \(s\) çember içeriyorsa, bunların her biri \(s\). satırda veya daha aşağıdadır.
Gerçekten, koordinatlarını \[ x_1<x_2<\cdots<x_s \] olacak şekilde sıralayalım. \(x\)-koordinatları farklıdır; çünkü \(x\)-koordinatları eşit olan iki çember karşılaştırılabilir olurdu. Karşılaştırılamazlık ayrıca \[ y_1>y_2>\cdots>y_s \] sonucunu verir. Bu koordinatlar negatif olmayan tam sayılar olduğundan, \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] Dolayısıyla \(t\). çemberin satır numarası \[ x_t+y_t+1\ge s \] olur ve iddia ispatlanır.
Şimdi herhangi bir Japon üçgenini ele alalım ve kırmızı çemberlerden oluşan bir zincirin en büyük uzunluğu \(M\) olsun. Her kırmızı çemberi, o çemberde biten bir kırmızı çember zincirinin en büyük uzunluğuyla etiketleyelim. Bu etiketler \(\{1,\ldots,M\}\) kümesindedir. Bir kırmızı çember diğerinden önce geliyorsa, ikincisinin etiketi kesin olarak daha büyüktür; çünkü onu ilk çemberde biten en uzun zincire ekleyebiliriz. Dolayısıyla aynı etikete sahip çemberler bir antizincir oluşturur.
Bu nedenle boş olmayan etiket sınıfları, kırmızı çemberleri \(q\le M\) antizincire ayırır. Bu antizincirleri, en küçük satır numaraları \[ r_1<r_2<\cdots<r_q \] olacak şekilde \(A_1,\ldots,A_q\) olarak sıralayalım. \(s_t=|A_t|\) ve \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t \] olarak yazalım. İddia, \(s_t\le r_t\) eşitsizliğini verir. Üstelik \(r_t\)'den önceki bir satırda bulunan her kırmızı çember, \(A_1,\ldots,A_{t-1}\) antizincirlerinden birine aittir. Bu satırların her birinde bir kırmızı çember bulunduğundan, \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] Bu eşitsizlikleri birleştirerek \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1 \] elde ederiz. \(S_0=0\)'dan başlayarak tümevarımla \(S_t\le 2^t-1\) elde edilir. Özel olarak, \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] \(2^{k-1}\le n<2^k\) ise bu, \(M\ge k\) olmasını gerektirir. Dolayısıyla her Japon üçgeninde en az \(k\) kırmızı çember içeren bir ninja yolu vardır.
Bu sınırın en iyi sınır olduğunu göstermek için satırları şu \(k\) bloğa ayıralım: \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] \(t\). bloğun \(i\). satırında, \[ j_i=2^{t+1}-i \] sütunundaki çemberi kırmızıya boyayalım. Bu geçerli bir sütundur: \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) eşitsizlikleri \[ 1\le j_i\le i \] sonucunu verir.
Her blok içinde, satır numarası arttıkça kırmızı çemberlerin sütun numaraları kesin olarak azalır. Oysa bir ninja yolu boyunca sütun numarası her adımda ya aynı kalır ya da \(1\) artar. Dolayısıyla bir ninja yolu her bloktan en fazla bir kırmızı çember, böylece toplamda en fazla \(k\) kırmızı çember içerebilir.
Her üçgen için geçerli olan sınır ve bu inşa, \(n=1\) dâhil her pozitif \(n\) tam sayısı için cevabı ispatlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2023 · Problema 5
Sea \(n\) un entero positivo. Un triángulo japonés consiste en \(1+2+\cdots+n\) círculos iguales acomodados en forma de triángulo equilátero de modo que para cada \(i=1,2,\ldots,n\), la fila número \(i\) contiene \(i\) círculos, de los cuales exactamente uno de ellos se pinta de rojo. Un camino ninja en un triángulo japonés es una sucesión de \(n\) círculos que comienza con el círculo de la fila superior y termina en la fila inferior, pasando sucesivamente de un círculo a uno de los dos círculos inmediatamente debajo de él. En el siguiente dibujo se muestra un ejemplo de un triángulo japonés con \(n=6\), junto con un camino ninja en ese triángulo que contiene dos círculos rojos.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
En términos de \(n\), determina el mayor \(k\) tal que cada triángulo japonés tiene un camino ninja que contiene al menos \(k\) círculos rojos.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
Equivalentemente, \(k\) es el único entero positivo que satisface \(2^{k-1}\le n<2^k\).
Solución
Numeremos los círculos de cada fila de izquierda a derecha. Asignemos al círculo de la fila \(i\), columna \(j\), las coordenadas \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] Así, \(x,y\) son enteros no negativos, su número de fila es \(x+y+1\), y un paso hacia abajo aumenta exactamente una coordenada en \(1\).
Por consiguiente, desde un círculo \((x,y)\) se puede llegar a un círculo \((x',y')\) mediante pasos hacia abajo si y solo si \[ x\le x'\quad\text{y}\quad y\le y'. \] Llamemos cadena a una sucesión de círculos rojos distintos creciente en ambas coordenadas. Toda cadena puede unirse mediante pasos hacia abajo y extenderse hasta formar un camino ninja completo. Recíprocamente, los círculos rojos de cualquier camino ninja forman una cadena. Por tanto, el mayor número de círculos rojos en un camino ninja es igual al mayor tamaño de una cadena.
Primero establecemos una cota para los conjuntos que no contienen dos círculos comparables; llamemos anticadena a un conjunto de este tipo.
Afirmación. Si una anticadena contiene \(s\) círculos, cada uno de ellos está en la fila \(s\) o más abajo.
En efecto, ordenemos sus coordenadas de modo que \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] Las coordenadas \(x\) son distintas, ya que dos círculos con la misma coordenada \(x\) serían comparables. La incomparabilidad también da \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] Como estas coordenadas son enteros no negativos, \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] Así, el número de fila del \(t\)-ésimo círculo es \[ x_t+y_t+1\ge s, \] lo que demuestra la afirmación.
Consideremos ahora un triángulo japonés cualquiera, y sea \(M\) el mayor tamaño de una cadena de círculos rojos. Etiquetemos cada círculo rojo con el mayor tamaño de una cadena de círculos rojos que termine en ese círculo. Estas etiquetas pertenecen a \(\{1,\ldots,M\}\). Si un círculo rojo precede a otro, este último tiene una etiqueta estrictamente mayor, porque podemos añadirlo a una cadena de tamaño máximo que termine en el primero. Por tanto, los círculos con la misma etiqueta forman una anticadena.
Las clases no vacías de círculos con la misma etiqueta forman, por tanto, una partición de los círculos rojos en \(q\le M\) anticadenas. Ordenemos estas anticadenas como \(A_1,\ldots,A_q\) según sus menores números de fila \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] Escribamos \(s_t=|A_t|\) y \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] La afirmación da \(s_t\le r_t\). Además, todo círculo rojo de una fila anterior a \(r_t\) pertenece a una de \(A_1,\ldots,A_{t-1}\). Hay un círculo rojo en cada una de esas filas, por lo que \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] Combinando estas desigualdades, obtenemos \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] Partiendo de \(S_0=0\), por inducción se obtiene \(S_t\le 2^t-1\). En particular, \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] Si \(2^{k-1}\le n<2^k\), esto obliga a que \(M\ge k\). Así pues, todo triángulo japonés tiene un camino ninja que contiene al menos \(k\) círculos rojos.
Para mostrar que esta cota es óptima, dividamos las filas en los \(k\) bloques \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] En la fila \(i\) del bloque \(t\), pintemos de rojo el círculo de la columna \[ j_i=2^{t+1}-i. \] Esta columna es válida: las desigualdades \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) implican \[ 1\le j_i\le i. \]
Dentro de cada bloque, las columnas de los círculos rojos disminuyen estrictamente a medida que aumenta el número de fila. Sin embargo, a lo largo de un camino ninja, el número de columna se mantiene igual o aumenta en \(1\) en cada paso. Por tanto, un camino ninja puede contener como máximo un círculo rojo de cada bloque y, en consecuencia, como máximo \(k\) círculos rojos en total.
La cota universal y esta construcción demuestran la respuesta para todo entero positivo \(n\), incluido \(n=1\).
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2023 · 问题 5
设 \(n\) 是一个正整数。日式三角是将 \(1+2+\cdots+n\) 个圆排成正三角形的形状,使得对 \(i=1,2,\ldots,n\),从上到下的第 \(i\) 行恰有 \(i\) 个圆且其中恰有一个被染为红色。在日式三角内,忍者路径是指一串由 \(n\) 个圆组成的序列,从最上面一行的圆开始,每次从当前圆连接到它下方相邻的两个圆之一,直至到达最下面一行的某个圆为止。下图为一个 \(n=6\) 的日式三角,其中画有一条包含两个红色圆的忍者路径。
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
求最大的整数 \(k\)(用 \(n\) 表示),使得在每个日式三角中都存在一条忍者路径,它包含至少 \(k\) 个红色圆。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
等价地,\(k\) 是满足 \(2^{k-1}\le n<2^k\) 的唯一正整数。
解答
将每一行的圆从左到右编号。给第 \(i\) 行第 \(j\) 列的圆赋予坐标 \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] 于是,\(x,y\) 是非负整数,该圆所在的行数为 \(x+y+1\),且每向下一步,恰有一个坐标增加 \(1\)。
因此,从圆 \((x,y)\) 出发,通过向下的步子可以到达圆 \((x',y')\),当且仅当 \[ x\le x'\quad\text{且}\quad y\le y'. \] 称由互不相同的红色圆构成、两个坐标均单调不减的序列为一条链。每条链都可以用向下的步子连接起来,并延伸为一条完整的忍者路径。反过来,任意忍者路径上的红色圆都构成一条链。因此,一条忍者路径所含红色圆的最大个数等于链的最大长度。
首先对不含两个可比较的圆的集合建立一个界;称这样的集合为反链。
断言。 若一条反链含有 \(s\) 个圆,则其中每个圆都位于第 \(s\) 行或更下方。
事实上,将这些圆的坐标排列,使得 \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] 它们的 \(x\) 坐标互不相同,因为两个 \(x\) 坐标相同的圆必可比较。由不可比较性还可得 \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] 由于这些坐标都是非负整数, \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] 因此,第 \(t\) 个圆所在的行数为 \[ x_t+y_t+1\ge s, \] 断言得证。
现在考虑任意一个日式三角,设 \(M\) 为红色圆所构成的链的最大长度。给每个红色圆标上以该圆为终点的红色圆链的最大长度。这些标号属于 \(\{1,\ldots,M\}\)。若一个红色圆先于另一个红色圆,则后者的标号严格更大,因为可以将后者接在以前者为终点的一条最长链之后。因此,标号相同的圆构成一条反链。
于是,非空的标号类将所有红色圆划分为 \(q\le M\) 条反链。将这些反链按各自的最小行数从小到大排列为 \(A_1,\ldots,A_q\),相应的最小行数为 \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] 记 \(s_t=|A_t|\),并记 \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] 由断言可得 \(s_t\le r_t\)。此外,第 \(r_t\) 行之前的每个红色圆都属于 \(A_1,\ldots,A_{t-1}\) 中的某一条反链。这些行中每行恰有一个红色圆,因此 \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] 结合这些不等式,得到 \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] 从 \(S_0=0\) 出发,归纳可得 \(S_t\le 2^t-1\)。特别地, \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] 若 \(2^{k-1}\le n<2^k\),则必有 \(M\ge k\)。所以每个日式三角都有一条包含至少 \(k\) 个红色圆的忍者路径。
为说明此界可以达到,将各行划分为如下 \(k\) 个区块: \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] 在第 \(t\) 个区块的第 \(i\) 行,将第 \[ j_i=2^{t+1}-i \] 列的圆染为红色。这是一个合法的列数:由不等式 \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) 可得 \[ 1\le j_i\le i. \]
在每个区块内,红色圆的列数随着行数增加而严格递减。然而,沿着一条忍者路径,每走一步,列数要么不变,要么增加 \(1\)。因此,一条忍者路径在每个区块中至多包含一个红色圆,从而总共至多包含 \(k\) 个红色圆。
上述普遍成立的下界和这一构造证明了答案对每个正整数 \(n\) 都成立,包括 \(n=1\) 的情形。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2023 · Задача 5
Пусть \(n\geq1\) натуральное число. Японский треугольник состоит из \(1+2+\cdots+n\) одинаковых кругов, выложенных в форме равностороннего треугольника так, что для каждого \(i=1,2,\ldots,n\) ряд с номером \(i\) состоит ровно из \(i\) кругов, в точности один из которых покрашен в красный цвет. Путем ниндзя в японском треугольнике называется последовательность из \(n\) кругов, построенная следующим образом: начинаем с круга в ряде 1 и затем поочередно спускаемся вниз, переходя от круга к одному из двух кругов непосредственно под ним, пока не дойдем до ряда \(n\). Ниже приведен пример японского треугольника для \(n=6\), а также пути ниндзя, содержащего два красных круга.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
Найдите наибольшее число \(k\) (зависящее от \(n\)) такое, что в любом японском треугольнике существует путь ниндзя, содержащий хотя бы \(k\) красных кругов.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
Иными словами, \(k\) — единственное положительное целое число, удовлетворяющее неравенствам \(2^{k-1}\le n<2^k\).
Решение
Пронумеруем круги в каждом ряду слева направо. Припишем кругу в ряду \(i\) и столбце \(j\) координаты \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] Таким образом, \(x,y\) — неотрицательные целые числа, номер ряда этого круга равен \(x+y+1\), а шаг вниз увеличивает ровно одну координату на \(1\).
Следовательно, из круга \((x,y)\) можно попасть в круг \((x',y')\), делая шаги вниз, тогда и только тогда, когда \[ x\le x'\quad\text{и}\quad y\le y'. \] Назовем последовательность различных красных кругов с неубывающими обеими координатами цепью. Любую цепь можно соединить шагами вниз и продолжить до полного пути ниндзя. Обратно, красные круги на любом пути ниндзя образуют цепь. Поэтому наибольшее число красных кругов на пути ниндзя равно наибольшему размеру цепи.
Сначала установим оценку для множеств, не содержащих двух сравнимых кругов; назовем такое множество антицепью.
Утверждение. Если антицепь содержит \(s\) кругов, то каждый из них лежит в ряду \(s\) или ниже.
Действительно, упорядочим их координаты так, чтобы \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] Координаты \(x\) различны, поскольку два круга с одинаковыми координатами \(x\) были бы сравнимы. Из несравнимости также следует \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] Поскольку эти координаты — неотрицательные целые числа, \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] Таким образом, номер ряда \(t\)-го круга равен \[ x_t+y_t+1\ge s, \] что доказывает утверждение.
Теперь рассмотрим произвольный японский треугольник, и пусть \(M\) — наибольший размер цепи красных кругов. Пометим каждый красный круг наибольшим размером цепи красных кругов, заканчивающейся в нем. Эти метки принадлежат \(\{1,\ldots,M\}\). Если один красный круг предшествует другому, то у второго метка строго больше, поскольку его можно добавить к самой длинной цепи, заканчивающейся в первом. Следовательно, круги с одинаковой меткой образуют антицепь.
Таким образом, непустые классы кругов с одинаковыми метками разбивают красные круги на \(q\le M\) антицепей. Упорядочим эти антицепи \(A_1,\ldots,A_q\) по наименьшим номерам их рядов \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] Обозначим \(s_t=|A_t|\) и \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] По доказанному утверждению \(s_t\le r_t\). Кроме того, каждый красный круг в ряду, предшествующем \(r_t\), принадлежит одной из антицепей \(A_1,\ldots,A_{t-1}\). В каждом таком ряду находится один красный круг, поэтому \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] Объединяя эти неравенства, получаем \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] Начиная с \(S_0=0\), по индукции получаем \(S_t\le 2^t-1\). В частности, \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] Если \(2^{k-1}\le n<2^k\), отсюда следует \(M\ge k\). Таким образом, в любом японском треугольнике есть путь ниндзя, содержащий хотя бы \(k\) красных кругов.
Чтобы показать, что эта оценка точна, разобьем ряды на \(k\) блоков \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] В ряду \(i\) блока \(t\) покрасим в красный цвет круг в столбце \[ j_i=2^{t+1}-i \]. Этот столбец существует: из неравенств \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) следует \[ 1\le j_i\le i. \]
Внутри каждого блока номера столбцов красных кругов строго убывают с ростом номера ряда. Однако вдоль пути ниндзя номер столбца на каждом шаге либо не меняется, либо увеличивается на \(1\). Поэтому путь ниндзя может содержать не более одного красного круга из каждого блока, а значит, не более \(k\) красных кругов всего.
Общая оценка и эта конструкция доказывают ответ для каждого положительного целого числа \(n\), включая \(n=1\).
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2023 · المسألة 5
ليكن \(n\) عدد صحيح موجب. يتألف المثلث الياباني من \(1+2+\cdots+n\) دوائر مرتبة على شكل مثلث متطابق الأضلاع بحيث لكل \(i=1,2,\ldots,n\)، يحتوي الصف \(i^{th}\) على \(i\) من الدوائر بالضبط، واحدة فقط منها ملونة بالأحمر. يتألف ”مسار نينجا“ في المثلث الياباني من سلسلة من \(n\) من الدوائر تم الحصول عليها بالبدء من الصف العلوي، ثم الانتقال بشكل متكرر من دائرة إلى إحدى الدائرتين الموجودتين مباشرة أسفلها والانتهاء في الصف السفلي. فيما يلي مثال للمثلث الياباني عند \(n=6\) موضح به مسار نينجا الذي يحتوي على دائرتين حمراوين.
\[ \begin{array}{c} {\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\\[-5pt] \quad\searrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \quad\swarrow\\[-5pt] \bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad{\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\\[-5pt] \swarrow\quad\\[-5pt] {\color{red}\bigcirc}\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\quad\bigcirc\\ n=6 \end{array} \]
أوجد بدلالة \(n\) أكبر عدد \(k\) بحيث في كل مثلث ياباني يوجد مسار نينجا يحتوي على الأقل \(k\) من الدوائر الحمراء.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k=\lfloor\log_2 n\rfloor+1.} \]
وبصورة مكافئة، \(k\) هو العدد الصحيح الموجب الوحيد الذي يحقق \(2^{k-1}\le n<2^k\).
الحل
نرقّم الدوائر في كل صف من اليسار إلى اليمين. نعطي الدائرة الواقعة في الصف \(i\) والعمود \(j\) الإحداثيين \[ (x,y)=(j-1,i-j). \] إذن \(x,y\) عددان صحيحان غير سالبين، ورقم صفها هو \(x+y+1\)، وكل خطوة إلى الأسفل تزيد إحداثيًا واحدًا بالضبط بمقدار \(1\).
وبالتالي، يمكن الوصول من دائرة \((x,y)\) إلى دائرة \((x',y')\) بخطوات إلى الأسفل إذا وفقط إذا \[ x\le x'\quad\text{و}\quad y\le y'. \] نسمي متتابعة من دوائر حمراء متمايزة غير متناقصة في كلا الإحداثيين سلسلة. يمكن وصل دوائر كل سلسلة بخطوات إلى الأسفل، وتمديدها إلى مسار نينجا كامل. وعكسًا، تشكل الدوائر الحمراء على أي مسار نينجا سلسلة. ولذلك فإن أكبر عدد من الدوائر الحمراء على مسار نينجا يساوي أكبر حجم لسلسلة.
نثبت أولًا حدًا للمجموعات التي لا تحتوي على دائرتين قابلتين للمقارنة؛ ونسمي كل مجموعة من هذا النوع سلسلة مضادة.
ادعاء. إذا احتوت سلسلة مضادة على \(s\) دوائر، فإن كل واحدة منها تقع في الصف \(s\) أو تحته.
بالفعل، نرتب إحداثياتها بحيث \[ x_1<x_2<\cdots<x_s. \] الإحداثيات \(x\) متمايزة، لأن دائرتين لهما الإحداثي \(x\) نفسه تكونان قابلتين للمقارنة. ويعطي عدم القابلية للمقارنة أيضًا \[ y_1>y_2>\cdots>y_s. \] بما أن هذه الإحداثيات أعداد صحيحة غير سالبة، \[ x_t\ge t-1,\qquad y_t\ge s-t. \] إذن رقم صف الدائرة ذات الترتيب \(t\) هو \[ x_t+y_t+1\ge s, \] مما يثبت الادعاء.
ننظر الآن في أي مثلث ياباني، وليكن \(M\) أكبر حجم لسلسلة حمراء. نوسم كل دائرة حمراء بأكبر حجم لسلسلة حمراء تنتهي عند تلك الدائرة. تنتمي هذه الوسوم إلى \(\{1,\ldots,M\}\). إذا سبقت دائرة حمراء أخرى، فإن وسم الثانية أكبر تمامًا، لأننا نستطيع إلحاقها بأطول سلسلة تنتهي عند الأولى. ومن ثم فإن الدوائر ذات الوسم نفسه تشكل سلسلة مضادة.
إذن تقسّم فئات الوسوم غير الخالية الدوائر الحمراء إلى \(q\le M\) سلاسل مضادة. نرتب هذه السلاسل المضادة على الصورة \(A_1,\ldots,A_q\) بحسب أصغر أرقام صفوفها \[ r_1<r_2<\cdots<r_q. \] نكتب \(s_t=|A_t|\) و \[ S_0=0,\qquad S_t=s_1+\cdots+s_t. \] يعطي الادعاء \(s_t\le r_t\). علاوة على ذلك، تنتمي كل دائرة حمراء في صف يسبق \(r_t\) إلى إحدى \(A_1,\ldots,A_{t-1}\). وتوجد دائرة حمراء واحدة في كل صف من هذه الصفوف، ولذلك \[ r_t-1\le S_{t-1}. \] بضم هذه المتباينات نحصل على \[ S_t=S_{t-1}+s_t \le S_{t-1}+r_t \le 2S_{t-1}+1. \] انطلاقًا من \(S_0=0\)، يعطي الاستقراء \(S_t\le 2^t-1\). وعلى وجه الخصوص، \[ n=S_q\le 2^q-1\le 2^M-1. \] إذا كان \(2^{k-1}\le n<2^k\)، فإن ذلك يفرض \(M\ge k\). إذن في كل مثلث ياباني مسار نينجا يحتوي على \(k\) دوائر حمراء على الأقل.
لإثبات أن هذا الحد لا يمكن تحسينه، نقسّم الصفوف إلى المجموعات المتتالية الـ\(k\) \[ 2^t,\ 2^t+1,\ \ldots,\ \min(2^{t+1}-1,n), \qquad t=0,1,\ldots,k-1. \] في الصف \(i\) من المجموعة \(t\)، نلوّن بالأحمر الدائرة الواقعة في العمود \[ j_i=2^{t+1}-i \] وهذا عمود صالح: فالمتباينات \(2^t\le i\le 2^{t+1}-1\) تستلزم \[ 1\le j_i\le i. \]
داخل كل مجموعة، تتناقص أرقام أعمدة الدوائر الحمراء تمامًا مع ازدياد رقم الصف. أما على مسار نينجا، فإن رقم العمود إما أن يبقى كما هو أو يزيد بمقدار \(1\) في كل خطوة. لذلك لا يمكن أن يحتوي مسار نينجا على أكثر من دائرة حمراء واحدة من كل مجموعة، ومن ثم لا يحتوي على أكثر من \(k\) دوائر حمراء إجمالًا.
يثبت الحد العام وهذا الإنشاء الإجابة لكل عدد صحيح موجب \(n\)، بما في ذلك \(n=1\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.