IMO 2025 · Problem 1
A line in the plane is called sunny if it is not parallel to any of the \(x\)-axis, the \(y\)-axis, and the line \(x+y=0\).
Let \(n\geq 3\) be a given integer. Determine all nonnegative integers \(k\) such that there exist \(n\) distinct lines in the plane satisfying both of the following:
- for all positive integers \(a\) and \(b\) with \(a+b\leq n+1\), the point \((a,b)\) is on at least one of the lines; and
- exactly \(k\) of the \(n\) lines are sunny.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
Solution
Write \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ are positive integers and }a+b\leq m+1\}. \] For \(m\geq2\), these points lie in the triangle with vertices \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] Its three side lines are \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] all of which are not sunny.
We first explain a reduction. Suppose \(m\) distinct lines cover \(S_m\), and one of them is a side line. Remove that line and the points of \(S_m\) lying on it. The remaining points are a translated copy of \(S_{m-1}\):
- If the removed line is \(x=1\), translate by \((-1,0)\).
- If it is \(y=1\), translate by \((0,-1)\).
- If it is \(x+y=m+1\), no translation is needed.
Every remaining point is covered by one of the remaining \(m-1\) lines. Translating those lines preserves their distinctness and directions. Thus the reduction gives a covering of \(S_{m-1}\) by \(m-1\) distinct lines, with exactly the same number of sunny lines.
For \(m\geq4\), such a reduction is always possible. Indeed, the boundary of the triangle contains \(3m-3\) points of \(S_m\): each side contains \(m\) points, and each vertex is counted twice. Any line other than a side line meets this boundary in at most two points, since its intersection with the triangle is either empty, a single point, or a segment whose only boundary points are its endpoints. Consequently, if none of the \(m\) covering lines were a side line, they could cover at most \(2m\) boundary points. This contradicts \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \]
Repeated reduction therefore leaves three distinct lines covering \(S_3\), without changing the number of sunny lines. We now classify this case.
If one of these three lines is a side line, reduce once more to two lines covering \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\}. \] At least one of the two lines contains two of these three points. Every line through two of them is horizontal, vertical, or parallel to \(x+y=0\), so it is not sunny. Hence there is at most one sunny line, giving \(k=0\) or \(k=1\).
Otherwise, none of the three lines covering \(S_3\) is a side line. All six points of \(S_3\) lie on the triangle’s boundary. Each covering line contains at most two of them, so each must contain exactly two, and each point lies on exactly one covering line.
Consider a vertex. Four of the other five points lie on its two incident sides, so pairing it with any of those points would give a side line. Its covering line must therefore join it to the midpoint of the opposite side. Applying this to all three vertices forces precisely the lines \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] Their slopes are \(1,-2,-\tfrac12\), respectively, so all three are sunny. Thus \(k=3\).
This proves that only \(0,1,3\) are possible. We finish by constructing each value for every \(n\geq3\).
-
\(k=0\): Take the \(n\) vertical lines \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): Take the \(n-1\) vertical lines \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] together with the sunny line \[ y=x-n+1. \] The vertical lines cover every point of \(S_n\) except \((n,1)\), which lies on the last line.
-
\(k=3\): Take \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] together with \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] The first three lines cover \(S_3\), respectively in the pairs \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] Every other point of \(S_n\) lies on one of the listed diagonals. There are \(n-3\) diagonals, with none when \(n=3\); all \(n\) lines are distinct, and exactly the first three are sunny.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 1
Eine Gerade in der Ebene heiße sonnig, falls sie weder zur \(x\)-Achse noch zur \(y\)-Achse noch zur Geraden \(x+y=0\) parallel ist.
Gegeben sei eine ganze Zahl \(n\geq 3\). Man bestimme alle nichtnegativen ganzen Zahlen \(k\), sodass es \(n\) paarweise verschiedene Geraden in der Ebene gibt, welche die folgenden beiden Bedingungen erfüllen:
- Für alle positiven ganzen Zahlen \(a\) und \(b\) mit \(a+b\leq n+1\) liegt der Punkt \((a,b)\) auf mindestens einer der Geraden.
- Genau \(k\) der \(n\) Geraden sind sonnig.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
Lösung
Wir schreiben \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ sind positive ganze Zahlen und }a+b\leq m+1\}. \] Für \(m\geq2\) liegen diese Punkte in dem Dreieck mit den Eckpunkten \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] Seine drei Seitengeraden sind \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] die alle nicht sonnig sind.
Wir erläutern zunächst eine Reduktion. Angenommen, \(m\) verschiedene Geraden überdecken \(S_m\), und eine davon ist eine Seitengerade. Wir entfernen diese Gerade und die auf ihr liegenden Punkte von \(S_m\). Die verbleibenden Punkte bilden eine verschobene Kopie von \(S_{m-1}\):
- Ist die entfernte Gerade \(x=1\), verschieben wir um \((-1,0)\).
- Ist sie \(y=1\), verschieben wir um \((0,-1)\).
- Ist sie \(x+y=m+1\), ist keine Verschiebung nötig.
Jeder verbleibende Punkt wird von einer der verbleibenden \(m-1\) Geraden überdeckt. Durch Verschieben dieser Geraden bleiben ihre Verschiedenheit und ihre Richtungen erhalten. Die Reduktion ergibt somit eine Überdeckung von \(S_{m-1}\) durch \(m-1\) verschiedene Geraden mit genau derselben Anzahl sonniger Geraden.
Für \(m\geq4\) ist eine solche Reduktion immer möglich. Tatsächlich enthält der Rand des Dreiecks \(3m-3\) Punkte von \(S_m\): Jede Seite enthält \(m\) Punkte, und jeder Eckpunkt wird zweimal gezählt. Jede Gerade, die keine Seitengerade ist, trifft diesen Rand in höchstens zwei Punkten, denn ihr Schnitt mit dem Dreieck ist entweder leer, ein einzelner Punkt oder eine Strecke, deren einzige Randpunkte ihre Endpunkte sind. Wäre also keine der \(m\) überdeckenden Geraden eine Seitengerade, so könnten sie höchstens \(2m\) Randpunkte überdecken. Dies widerspricht \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \]
Durch wiederholte Reduktion bleiben somit drei verschiedene Geraden übrig, die \(S_3\) überdecken, ohne dass sich die Anzahl sonniger Geraden ändert. Diesen Fall klassifizieren wir nun.
Ist eine dieser drei Geraden eine Seitengerade, so reduzieren wir ein weiteres Mal auf zwei Geraden, die \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\} \] überdecken. Mindestens eine der beiden Geraden enthält zwei dieser drei Punkte. Jede Gerade durch zwei von ihnen ist waagerecht, senkrecht oder parallel zu \(x+y=0\), also nicht sonnig. Daher gibt es höchstens eine sonnige Gerade, was \(k=0\) oder \(k=1\) ergibt.
Andernfalls ist keine der drei Geraden, die \(S_3\) überdecken, eine Seitengerade. Alle sechs Punkte von \(S_3\) liegen auf dem Rand des Dreiecks. Jede überdeckende Gerade enthält höchstens zwei davon, also muss jede genau zwei enthalten, und jeder Punkt liegt auf genau einer überdeckenden Geraden.
Betrachten wir einen Eckpunkt. Vier der übrigen fünf Punkte liegen auf den beiden anliegenden Seiten, sodass die Verbindung mit jedem dieser Punkte eine Seitengerade ergeben würde. Seine überdeckende Gerade muss ihn daher mit dem Mittelpunkt der gegenüberliegenden Seite verbinden. Wenden wir dies auf alle drei Eckpunkte an, so erhalten wir zwingend genau die Geraden \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] Ihre Steigungen sind \(1,-2,-\tfrac12\), also sind alle drei sonnig. Somit ist \(k=3\).
Damit ist bewiesen, dass nur \(0,1,3\) möglich sind. Abschließend konstruieren wir jeden dieser Werte für jedes \(n\geq3\).
-
\(k=0\): Wir nehmen die \(n\) senkrechten Geraden \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): Wir nehmen die \(n-1\) senkrechten Geraden \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] zusammen mit der sonnigen Geraden \[ y=x-n+1. \] Die senkrechten Geraden überdecken jeden Punkt von \(S_n\) außer \((n,1)\), der auf der letzten Geraden liegt.
-
\(k=3\): Wir nehmen \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] zusammen mit \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] Die ersten drei Geraden überdecken \(S_3\), und zwar jeweils in den Paaren \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] Jeder weitere Punkt von \(S_n\) liegt auf einer der aufgeführten Diagonalen. Es gibt \(n-3\) Diagonalen, wobei es für \(n=3\) keine gibt; alle \(n\) Geraden sind verschieden, und genau die ersten drei sind sonnig.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 1
Düzlemdeki bir doğru; \(x\)-ekseni, \(y\)-ekseni ve \(x+y=0\) doğrularının hiçbirine paralel değilse bu doğruya parlak diyelim.
\(n\geq 3\) verilmiş bir pozitif tam sayı olsun. Hangi \(k\) negatif olmayan tam sayıları için, düzlemde aşağıdaki koşulları sağlayan \(n\) farklı doğrunun bulunduğunu belirleyiniz:
- \(a+b\leq n+1\) koşulunu sağlayan tüm \(a,b\) pozitif tam sayıları için, \((a,b)\) noktası bu doğrulardan en az birinin üzerindedir;
- bu \(n\) tane doğrunun tam olarak \(k\) tanesi parlak doğrudur.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
Çözüm
\[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ pozitif tam sayılar ve }a+b\leq m+1\} \] olarak tanımlayalım. \(m\geq2\) için bu noktalar, köşeleri \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m) \] olan üçgenin içinde veya sınırı üzerindedir. Üçgenin üç kenar doğrusu \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1 \] olup bunların hiçbiri parlak değildir.
Önce bir indirgeme açıklayalım. \(m\) farklı doğrunun \(S_m\)'yi örttüğünü ve bunlardan birinin bir kenar doğrusu olduğunu varsayalım. Bu doğruyu ve \(S_m\)'nin bu doğru üzerinde bulunan noktalarını çıkaralım. Kalan noktalar, \(S_{m-1}\)'in ötelenmiş bir kopyasıdır:
- Çıkarılan doğru \(x=1\) ise \((-1,0)\) vektörü ile öteleyelim.
- Çıkarılan doğru \(y=1\) ise \((0,-1)\) vektörü ile öteleyelim.
- Çıkarılan doğru \(x+y=m+1\) ise öteleme gerekmez.
Kalan her nokta, kalan \(m-1\) doğrudan biri tarafından örtülür. Bu doğruları ötelemek, birbirlerinden farklı olmalarını ve doğrultularını korur. Dolayısıyla bu indirgeme, parlak doğruların sayısını hiç değiştirmeden, \(S_{m-1}\)'in \(m-1\) farklı doğru ile örtülmesini verir.
\(m\geq4\) için böyle bir indirgeme her zaman mümkündür. Gerçekten de üçgenin sınırı, \(S_m\)'nin \(3m-3\) noktasını içerir: her kenar \(m\) nokta içerir ve her köşe iki kez sayılır. Bir kenar doğrusu olmayan herhangi bir doğru, bu sınırla en fazla iki noktada kesişir; çünkü üçgenle kesişimi ya boştur, ya tek bir noktadır ya da sınır üzerindeki yegâne noktaları uç noktaları olan bir doğru parçasıdır. Dolayısıyla örten \(m\) doğrunun hiçbiri bir kenar doğrusu olmasaydı bunlar en fazla \(2m\) sınır noktasını örtebilirdi. Bu ise \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4) \] eşitsizliğiyle çelişir.
Bu nedenle indirgemeyi tekrarladığımızda, parlak doğruların sayısı değişmeden, \(S_3\)'ü örten üç farklı doğru kalır. Şimdi bu durumu sınıflandıralım.
Bu üç doğrudan biri bir kenar doğrusu ise bir kez daha indirgeyerek \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\} \] kümesini örten iki doğru elde ederiz. Bu iki doğrudan en az biri, bu üç noktanın ikisini içerir. Bunlardan herhangi ikisinden geçen doğru yatay, düşey veya \(x+y=0\)'a paraleldir; dolayısıyla parlak değildir. Bu nedenle en fazla bir parlak doğru vardır; bu da \(k=0\) veya \(k=1\) verir.
Diğer durumda, \(S_3\)'ü örten üç doğrunun hiçbiri bir kenar doğrusu değildir. \(S_3\)'ün altı noktasının hepsi üçgenin sınırı üzerindedir. Örten doğruların her biri bunlardan en fazla ikisini içerdiğinden her biri tam olarak iki nokta içermeli ve her nokta tam olarak bir örten doğru üzerinde bulunmalıdır.
Bir köşeyi ele alalım. Diğer beş noktanın dördü bu köşede birleşen iki kenarın üzerindedir; dolayısıyla köşeyi bu noktalardan herhangi biriyle eşleştirmek bir kenar doğrusu verir. Bu nedenle köşeyi örten doğru, onu karşı kenarın orta noktasına birleştirmelidir. Bunu üç köşenin hepsine uyguladığımızda doğruların tam olarak \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5 \] olması gerektiğini görürüz. Bunların eğimleri sırasıyla \(1,-2,-\tfrac12\) olduğundan üçü de parlaktır. Böylece \(k=3\) olur.
Bu, yalnızca \(0,1,3\) değerlerinin mümkün olduğunu kanıtlar. Son olarak, her \(n\geq3\) için bu değerlerin her birini veren birer düzenleme oluşturalım.
-
\(k=0\): Şu \(n\) düşey doğruyu alalım: \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): Şu \(n-1\) düşey doğruyu \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] ve bunlarla birlikte şu parlak doğruyu alalım: \[ y=x-n+1. \] Düşey doğrular, \(S_n\)'nin \((n,1)\) dışındaki bütün noktalarını örter; bu nokta da son doğru üzerindedir.
-
\(k=3\): Şu doğruları \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5 \] ve bunlarla birlikte \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1) \] doğrularını alalım. İlk üç doğru, \(S_3\)'ü sırasıyla şu nokta çiftleriyle örter: \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] \(S_n\)'nin diğer her noktası, listelenen çapraz doğrulardan biri üzerindedir. \(n-3\) çapraz doğru vardır; \(n=3\) olduğunda böyle bir doğru yoktur. Bu \(n\) doğrunun hepsi birbirinden farklıdır ve tam olarak ilk üçü parlaktır.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 1
Una recta del plano se llama soleada si no es paralela ni al eje \(x\), ni al eje \(y\), ni a la recta \(x+y=0\).
Sea \(n\geq 3\) un entero dado. Determine todos los enteros no negativos \(k\) para los que existen \(n\) rectas distintas del plano que satisfacen las dos condiciones siguientes:
- Para cualesquiera enteros positivos \(a\) y \(b\) con \(a+b\leq n+1\), el punto \((a,b)\) está en al menos una de estas rectas; y
- Exactamente \(k\) de estas \(n\) rectas son soleadas.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
Solución
Escribamos \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ son enteros positivos y }a+b\leq m+1\}. \] Para \(m\geq2\), estos puntos están en el triángulo de vértices \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] Las rectas que contienen sus tres lados son \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] y ninguna de ellas es soleada.
Primero explicamos una reducción. Supongamos que \(m\) rectas distintas cubren \(S_m\), y que una de ellas es la recta de un lado. Retiremos esa recta y los puntos de \(S_m\) situados en ella. Los puntos restantes forman una copia trasladada de \(S_{m-1}\):
- Si la recta retirada es \(x=1\), trasladamos por \((-1,0)\).
- Si es \(y=1\), trasladamos por \((0,-1)\).
- Si es \(x+y=m+1\), no hace falta ninguna traslación.
Cada punto restante está cubierto por una de las \(m-1\) rectas restantes. Trasladar esas rectas conserva el hecho de que sean distintas y sus direcciones. Así, la reducción proporciona un recubrimiento de \(S_{m-1}\) por \(m-1\) rectas distintas, con exactamente el mismo número de rectas soleadas.
Para \(m\geq4\), esta reducción siempre es posible. En efecto, la frontera del triángulo contiene \(3m-3\) puntos de \(S_m\): cada lado contiene \(m\) puntos, y cada vértice se cuenta dos veces. Cualquier recta que no sea la de un lado interseca esta frontera en a lo más dos puntos, ya que su intersección con el triángulo es vacía, un solo punto o un segmento cuyos únicos puntos en la frontera son sus extremos. Por consiguiente, si ninguna de las \(m\) rectas del recubrimiento fuera la recta de un lado, podrían cubrir a lo más \(2m\) puntos de la frontera. Esto contradice \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \]
Por lo tanto, aplicando repetidamente la reducción quedan tres rectas distintas que cubren \(S_3\), sin cambiar el número de rectas soleadas. Ahora clasificamos este caso.
Si una de estas tres rectas es la recta de un lado, reducimos una vez más a dos rectas que cubren \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\}. \] Al menos una de las dos rectas contiene dos de estos tres puntos. Toda recta que pasa por dos de ellos es horizontal, vertical o paralela a \(x+y=0\), de modo que no es soleada. Por tanto, hay a lo más una recta soleada, lo que da \(k=0\) o \(k=1\).
En caso contrario, ninguna de las tres rectas que cubren \(S_3\) es la recta de un lado. Los seis puntos de \(S_3\) están en la frontera del triángulo. Cada recta del recubrimiento contiene a lo más dos de ellos, de modo que cada una debe contener exactamente dos, y cada punto pertenece a exactamente una recta del recubrimiento.
Consideremos un vértice. Cuatro de los otros cinco puntos están en los dos lados incidentes en él, por lo que emparejarlo con cualquiera de esos puntos daría la recta de un lado. Por tanto, la recta que lo cubre debe unirlo con el punto medio del lado opuesto. Al aplicar esto a los tres vértices, se obtienen necesariamente las rectas \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] Sus pendientes son \(1,-2,-\tfrac12\), respectivamente, de modo que las tres son soleadas. Así, \(k=3\).
Esto demuestra que solo son posibles \(0,1,3\). Terminamos construyendo cada valor para todo \(n\geq3\).
-
\(k=0\): Tomemos las \(n\) rectas verticales \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): Tomemos las \(n-1\) rectas verticales \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] junto con la recta soleada \[ y=x-n+1. \] Las rectas verticales cubren todos los puntos de \(S_n\) excepto \((n,1)\), que está en la última recta.
-
\(k=3\): Tomemos \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] junto con \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] Las tres primeras rectas cubren \(S_3\), respectivamente en los pares \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] Cualquier otro punto de \(S_n\) está en una de las diagonales enumeradas. Hay \(n-3\) diagonales, y ninguna cuando \(n=3\); las \(n\) rectas son distintas, y exactamente las tres primeras son soleadas.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 1
称坐标平面上的一条直线为阳光的,如果它与 \(x\)-轴、\(y\)-轴和直线 \(x+y=0\) 均不平行。
给定整数 \(n\geq 3\)。求所有非负整数 \(k\),使得存在平面上两两不同的 \(n\) 条直线满足下面两个条件:
- 对所有满足 \(a+b\leq n+1\) 的正整数 \(a\) 和 \(b\),这 \(n\) 条直线中至少有一条经过点 \((a,b)\);
- 这 \(n\) 条直线中恰有 \(k\) 条是阳光的。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
解答
记 \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ 为正整数且 }a+b\leq m+1\}. \] 当 \(m\geq2\) 时,这些点位于以 \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] 为顶点的三角形内及其边界上。它的三边所在直线为 \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] 这三条直线都不是阳光的。
我们先说明一种化归方法。假设 \(m\) 条不同的直线覆盖 \(S_m\),且其中一条是三角形的一边所在的直线。删去这条直线以及 \(S_m\) 中位于其上的点。剩余的点集经平移后就是 \(S_{m-1}\):
- 如果删去的直线是 \(x=1\),则按向量 \((-1,0)\) 平移。
- 如果是 \(y=1\),则按向量 \((0,-1)\) 平移。
- 如果是 \(x+y=m+1\),则不需要平移。
每个剩余的点都被剩余的 \(m-1\) 条直线中的某一条覆盖。平移这些直线后,它们仍两两不同,且方向不变。因此,这一化归得到用 \(m-1\) 条不同直线覆盖 \(S_{m-1}\) 的方案,其中阳光直线的条数完全不变。
当 \(m\geq4\) 时,总能进行这样的化归。事实上,三角形的边界上共有 \(S_m\) 中的 \(3m-3\) 个点:每条边上有 \(m\) 个点,而每个顶点被计算了两次。除三边所在直线之外,任何直线与该边界至多有两个交点,因为它与三角形的交集或者为空集,或者为一个点,或者为一条仅有两个端点在边界上的线段。因此,如果这 \(m\) 条覆盖直线都不是三边所在的直线,那么它们至多覆盖 \(2m\) 个边界上的点。这与 \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \] 矛盾。
因此,反复进行化归后,便得到三条不同的直线覆盖 \(S_3\),而阳光直线的条数不变。下面对这一情形分类讨论。
如果这三条直线中有一条是三边所在的直线,则再化归一次,得到两条直线覆盖 \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\}. \] 这两条直线中至少有一条经过这三个点中的两个。经过其中任意两点的直线都是水平的、竖直的,或平行于 \(x+y=0\),因而不是阳光的。所以阳光直线至多有一条,得到 \(k=0\) 或 \(k=1\)。
否则,覆盖 \(S_3\) 的三条直线都不是三边所在的直线。\(S_3\) 的全部六个点都在三角形的边界上。每条覆盖直线至多经过其中两个点,因此每条直线必须恰好经过两个点,且每个点恰好位于一条覆盖直线上。
考虑一个顶点。其余五个点中有四个位于与该顶点相接的两条边上,因此将该顶点与这四个点中的任何一个配对,都会得到一边所在的直线。所以,覆盖该顶点的直线必须将它与对边的中点相连。对三个顶点都应用这一结论,便知这三条直线只能是 \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] 它们的斜率分别为 \(1,-2,-\tfrac12\),因此三条都是阳光的。于是 \(k=3\)。
这证明了只有 \(0,1,3\) 是可能的。最后,我们对每个 \(n\geq3\) 构造出这三个值。
-
\(k=0\): 取以下 \(n\) 条竖直直线 \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): 取以下 \(n-1\) 条竖直直线 \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] 以及阳光直线 \[ y=x-n+1. \] 这些竖直直线覆盖了 \(S_n\) 中除 \((n,1)\) 以外的所有点,而 \((n,1)\) 位于最后一条直线上。
-
\(k=3\): 取 \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] 以及 \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] 前三条直线覆盖 \(S_3\),分别经过以下各对点 \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] \(S_n\) 中的其余每个点都位于所列的某条斜线上。这些斜线共有 \(n-3\) 条,当 \(n=3\) 时一条也没有;全部 \(n\) 条直线两两不同,且恰好前三条是阳光的。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 1
Прямая на плоскости называется солнечной, если она не параллельна ни одной из осей \(Ox\), \(Oy\) и прямой \(x+y=0\).
Дано целое число \(n\geq 3\). Определите все неотрицательные целые числа \(k\), такие, что на плоскости существует \(n\) различных прямых, удовлетворяющих следующим двум условиям:
- для всех положительных целых чисел \(a\) и \(b\), где \(a+b\leq n+1\), точка \((a,b)\) лежит хотя бы на одной из этих прямых;
- ровно \(k\) из этих \(n\) прямых являются солнечными.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
Решение
Обозначим \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ — положительные целые числа и }a+b\leq m+1\}. \] При \(m\geq2\) эти точки лежат в треугольнике с вершинами \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] Прямые, содержащие три его стороны, имеют вид \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] и ни одна из них не является солнечной.
Сначала опишем переход к меньшему значению параметра. Пусть \(m\) различных прямых покрывают \(S_m\) и одна из них содержит сторону треугольника. Удалим эту прямую и лежащие на ней точки множества \(S_m\). Оставшиеся точки образуют множество, получаемое из \(S_{m-1}\) параллельным переносом:
- Если удалённая прямая имеет уравнение \(x=1\), выполним перенос на вектор \((-1,0)\).
- Если она имеет уравнение \(y=1\), выполним перенос на вектор \((0,-1)\).
- Если она имеет уравнение \(x+y=m+1\), перенос не нужен.
Каждая оставшаяся точка покрыта одной из оставшихся \(m-1\) прямых. При переносе этих прямых сохраняются их различность и направления. Таким образом, этот переход даёт покрытие \(S_{m-1}\) с помощью \(m-1\) различных прямых с тем же самым числом солнечных прямых.
При \(m\geq4\) такой переход всегда возможен. Действительно, граница треугольника содержит \(3m-3\) точек множества \(S_m\): на каждой стороне лежит \(m\) точек, причём каждая вершина посчитана дважды. Любая прямая, не содержащая сторону, пересекает эту границу не более чем в двух точках, поскольку её пересечение с треугольником либо пусто, либо является одной точкой, либо представляет собой отрезок, у которого только концы лежат на границе. Следовательно, если бы ни одна из \(m\) покрывающих прямых не содержала сторону, они могли бы покрыть не более \(2m\) точек границы. Это противоречит неравенству \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \]
Поэтому, повторяя описанный переход, получим три различные прямые, покрывающие \(S_3\), причём число солнечных прямых не изменится. Теперь разберём этот случай.
Если одна из этих трёх прямых содержит сторону, выполним ещё один переход и получим две прямые, покрывающие \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\}. \] По крайней мере одна из двух прямых содержит две из этих трёх точек. Любая прямая, проходящая через две из них, горизонтальна, вертикальна или параллельна \(x+y=0\), поэтому она не является солнечной. Значит, солнечных прямых не более одной, что даёт \(k=0\) или \(k=1\).
В противном случае ни одна из трёх прямых, покрывающих \(S_3\), не содержит сторону. Все шесть точек множества \(S_3\) лежат на границе треугольника. Каждая покрывающая прямая содержит не более двух из них, поэтому каждая должна содержать ровно две точки, а каждая точка лежит ровно на одной покрывающей прямой.
Рассмотрим вершину. Четыре из остальных пяти точек лежат на двух сторонах, выходящих из этой вершины, поэтому соединение её с любой из этих точек дало бы прямую, содержащую сторону. Следовательно, покрывающая её прямая должна соединять её с серединой противоположной стороны. Применяя это рассуждение ко всем трём вершинам, получаем в точности прямые \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] Их угловые коэффициенты равны соответственно \(1,-2,-\tfrac12\), поэтому все три прямые солнечные. Таким образом, \(k=3\).
Мы доказали, что возможны только значения \(0,1,3\). В завершение построим примеры для каждого из этих значений при любом \(n\geq3\).
-
\(k=0\): Возьмём \(n\) вертикальных прямых \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): Возьмём \(n-1\) вертикальных прямых \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] вместе с солнечной прямой \[ y=x-n+1. \] Вертикальные прямые покрывают все точки множества \(S_n\), кроме \((n,1)\), которая лежит на последней прямой.
-
\(k=3\): Возьмём \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] вместе с \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] Первые три прямые покрывают \(S_3\), проходя соответственно через пары \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] Любая другая точка множества \(S_n\) лежит на одной из перечисленных диагоналей. Диагоналей \(n-3\), причём при \(n=3\) их нет; все \(n\) прямых различны, и ровно первые три из них солнечные.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 1
يُقال للمستقيم في المستوى أنه مشمس إذا كان ليس موازياً لأي من محور \(x\) أو محور \(y\) أو المستقيم \(x+y=0\).
ليكن \(n\geq 3\) عدداً صحيحاً. حدد جميع الأعداد الصحيحة غير السالبة \(k\) بحيث يوجد \(n\) مستقيمات مختلفة في هذا المستوى تحقق الشرطين التاليين:
- لكل عددين صحيحين موجبين \(a\) و \(b\) حيث \(a+b\leq n+1\)، حيث تكون النقطة \((a,b)\) على أحد المستقيمات على الأقل؛
- بالضبط \(k\) من هذه المستقيمات الـ \(n\) هي مستقيمات مشمسة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{k\in\{0,1,3\}.} \]
الحل
لنكتب \[ S_m=\{(a,b):a,b\text{ عددان صحيحان موجبان و }a+b\leq m+1\}. \] عندما \(m\geq2\)، تقع هذه النقاط في المثلث ذي الرؤوس \[ (1,1),\qquad (m,1),\qquad (1,m). \] والمستقيمات الحاملة لأضلاعه الثلاثة هي \[ x=1,\qquad y=1,\qquad x+y=m+1, \] وكلها غير مشمسة.
نشرح أولاً خطوة اختزال. لنفترض أن \(m\) مستقيمات مختلفة تغطي \(S_m\)، وأن أحدها مستقيم حامل لضلع. نحذف ذلك المستقيم ونقاط \(S_m\) الواقعة عليه. تكون النقاط المتبقية صورةً لـ \(S_{m-1}\) بانسحاب:
- إذا كان المستقيم المحذوف هو \(x=1\)، نجري انسحاباً بالمتجه \((-1,0)\).
- إذا كان هو \(y=1\)، نجري انسحاباً بالمتجه \((0,-1)\).
- إذا كان هو \(x+y=m+1\)، فلا حاجة إلى انسحاب.
كل نقطة متبقية يغطيها أحد المستقيمات الـ \(m-1\) المتبقية. ويحافظ انسحاب هذه المستقيمات على اختلافها واتجاهاتها. وهكذا يعطينا الاختزال تغطيةً لـ \(S_{m-1}\) بواسطة \(m-1\) مستقيمات مختلفة، مع بقاء عدد المستقيمات المشمسة نفسه تماماً.
عندما \(m\geq4\)، يكون هذا الاختزال ممكناً دائماً. بالفعل، تحتوي حدود المثلث على \(3m-3\) نقطة من \(S_m\): يحتوي كل ضلع على \(m\) نقطة، ويُعدّ كل رأس مرتين. وأي مستقيم غير المستقيمات الحاملة للأضلاع يلتقي هذه الحدود في نقطتين على الأكثر، لأن تقاطعه مع المثلث إما خالٍ، أو نقطة واحدة، أو قطعة مستقيمة لا تقع منها على الحدود إلا نهايتاها. ومن ثم، لو لم يكن أيٌّ من المستقيمات الـ \(m\) المغطية حاملاً لضلع، لما أمكنها تغطية أكثر من \(2m\) نقطة من الحدود. وهذا يناقض \[ 3m-3>2m\qquad(m\geq4). \]
إذن يترك الاختزال المتكرر ثلاثة مستقيمات مختلفة تغطي \(S_3\)، دون تغيير عدد المستقيمات المشمسة. نصنّف الآن هذه الحالة.
إذا كان أحد هذه المستقيمات الثلاثة حاملاً لضلع، نختزل مرة أخرى إلى مستقيمين يغطيان \[ S_2=\{(1,1),(1,2),(2,1)\}. \] يحتوي أحد المستقيمين على الأقل على نقطتين من هذه النقاط الثلاث. وكل مستقيم يمر بنقطتين منها يكون أفقياً أو رأسياً أو موازياً لـ \(x+y=0\)، ولذلك فهو غير مشمس. ومن ثم يوجد مستقيم مشمس واحد على الأكثر، فنحصل على \(k=0\) أو \(k=1\).
وإلا، فليس أيٌّ من المستقيمات الثلاثة التي تغطي \(S_3\) حاملاً لضلع. تقع النقاط الست جميعها من \(S_3\) على حدود المثلث. ويحتوي كل مستقيم مغطٍّ على نقطتين منها على الأكثر، لذا يجب أن يحتوي كل منها على نقطتين بالضبط، وأن تقع كل نقطة على مستقيم مغطٍّ واحد بالضبط.
لننظر إلى أحد الرؤوس. تقع أربع من النقاط الخمس الأخرى على الضلعين الملتقيين عنده، ولذلك فإن إقرانه بأيٍّ منها يعطي مستقيماً حاملاً لضلع. فلا بد إذن أن يصله المستقيم الذي يغطيه بمنتصف الضلع المقابل. وبتطبيق ذلك على الرؤوس الثلاثة، تُفرض المستقيمات التالية تحديداً: \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5. \] ميولها هي \(1,-2,-\tfrac12\) على الترتيب، ولذلك فالثلاثة كلها مشمسة. إذن \(k=3\).
يثبت هذا أن القيم الممكنة لا تخرج عن \(0,1,3\). ونختتم بإنشاء كل قيمة لكل \(n\geq3\).
-
\(k=0\): نأخذ المستقيمات الرأسية الـ \(n\) \[ x=1,2,\ldots,n. \]
-
\(k=1\): نأخذ المستقيمات الرأسية الـ \(n-1\) \[ x=1,2,\ldots,n-1 \] مع المستقيم المشمس \[ y=x-n+1. \] تغطي المستقيمات الرأسية كل نقطة من \(S_n\) باستثناء \((n,1)\)، التي تقع على المستقيم الأخير.
-
\(k=3\): نأخذ \[ x=y,\qquad 2x+y=5,\qquad x+2y=5, \] مع \[ x+y=s\qquad(s=5,6,\ldots,n+1). \] تغطي المستقيمات الثلاثة الأولى \(S_3\)، بالأزواج التالية على الترتيب: \[ \{(1,1),(2,2)\},\quad \{(1,3),(2,1)\},\quad \{(3,1),(1,2)\}. \] وتقع كل نقطة أخرى من \(S_n\) على أحد المستقيمات القطرية المذكورة. وعدد هذه المستقيمات القطرية \(n-3\)، ولا يوجد منها أيٌّ عندما \(n=3\)؛ والمستقيمات الـ \(n\) كلها مختلفة، والمشمسة منها هي الثلاثة الأولى بالضبط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.