IMO 2025 · Problem 5
Alice and Bazza are playing the inekoalaty game, a two-player game whose rules depend on a positive real number \(\lambda\) which is known to both players. On the \(n\)th turn of the game (starting with \(n=1\)) the following happens:
-
If \(n\) is odd, Alice chooses a nonnegative real number \(x_n\) such that \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq \lambda n. \]
-
If \(n\) is even, Bazza chooses a nonnegative real number \(x_n\) such that \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
If a player cannot choose a suitable number \(x_n\), the game ends and the other player wins. If the game goes on forever, neither player wins. All chosen numbers are known to both players.
Determine all values of \(\lambda\) for which Alice has a winning strategy and all those for which Bazza has a winning strategy.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
- Alice has a winning strategy exactly when \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- Bazza has a winning strategy exactly when \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- When \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\), neither player has a winning strategy.
Solution
Write \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] with \(S_0=Q_0=0\). Call turns \(2k-1\) and \(2k\) the \(k\)th pair of turns.
Bazza’s strategy when \(\lambda\leq 1/\sqrt2\). After Alice chooses \(a=x_{2k-1}\), Bazza chooses \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] We prove inductively that this is always a legal response and that, after every completed pair, \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2. \]
These equalities and inequalities hold for \(k=0\). Suppose the first \(k-1\) pairs have been completed. If Alice has no legal move, Bazza has already won. Otherwise, her legal choice \(a\) satisfies \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] Thus \(b=\sqrt{2-a^2}\) is well-defined and nonnegative. Moreover, \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] so Bazza’s response is legal. Since \(a,b\geq0\), \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] and hence \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] This proves the induction and, in particular, shows that Bazza can always prevent Alice from winning when \(\lambda\leq1/\sqrt2\).
If \(\lambda<1/\sqrt2\), choose a positive integer \(k\) such that \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] If the game reaches the end of the \(k\)th pair, then \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] Alice therefore has no legal move on turn \(2k+1\). Since Bazza never lacks a legal response, his strategy forces a win in finitely many turns.
Alice’s strategy when \(\lambda\geq1/\sqrt2\). First observe that Alice can safely choose zero for as many turns as she wishes. Indeed, if her first \(k\) choices are zero, then after Bazza’s \(k\)th move, \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] By the Cauchy–Schwarz inequality, \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] Consequently, zero is again legal on Alice’s next turn. Her initial choice of zero is also legal, so this proves the assertion inductively. In particular, Bazza has no winning strategy when \(\lambda\geq1/\sqrt2\).
Now suppose that \(\lambda>1/\sqrt2\), and put \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] Choose an integer \(k\geq1\) sufficiently large that \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] Such an integer exists; for example, any integer \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\) works, since then \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
Alice chooses zero on her first \(k\) turns. As proved above, all these choices are legal, regardless of Bazza’s moves. On turn \(2k+1\), she chooses \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] Using \(S_{2k}\leq k\sqrt2\), we obtain \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] Thus her choice is nonnegative and legal, but \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] Bazza cannot satisfy his constraint on turn \(2k+2\), whatever nonnegative number he chooses. Alice therefore wins.
Finally, at \(\lambda=1/\sqrt2\), Bazza’s strategy above prevents Alice from winning, while Alice’s strategy of always choosing zero prevents Bazza from winning. Hence neither player has a winning strategy at this boundary value.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 5
Alice und Bazza spielen das Inekoalaty-Spiel. Dabei handelt es sich um ein Spiel für zwei Personen, dessen Regeln von einer positiven reellen Zahl \(\lambda\) abhängen, die beiden Spielern bekannt ist. Beginnend mit \(n=1\) geschieht im \(n\)-ten Zug des Spiels Folgendes:
-
Ist \(n\) ungerade, dann wählt Alice eine nichtnegative reelle Zahl \(x_n\) mit \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n. \]
-
Ist \(n\) gerade, dann wählt Bazza eine nichtnegative reelle Zahl \(x_n\) mit \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
Kann ein Spieler keine passende Zahl \(x_n\) wählen, endet das Spiel und der andere Spieler gewinnt. Geht das Spiel unendlich lange, gewinnt keiner der Spieler. Beide Spieler kennen alle gewählten Zahlen.
Man bestimme alle Werte von \(\lambda\), für die Alice eine Gewinnstrategie besitzt, und alle Werte, für die Bazza eine Gewinnstrategie besitzt.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
- Alice besitzt genau dann eine Gewinnstrategie, wenn \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- Bazza besitzt genau dann eine Gewinnstrategie, wenn \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- Für \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\) besitzt keiner der Spieler eine Gewinnstrategie.
Lösung
Wir schreiben \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] mit \(S_0=Q_0=0\). Wir bezeichnen die Züge \(2k-1\) und \(2k\) als das \(k\)-te Zugpaar.
Bazzas Strategie für \(\lambda\leq 1/\sqrt2\). Nachdem Alice \(a=x_{2k-1}\) gewählt hat, wählt Bazza \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] Wir beweisen durch Induktion, dass dies immer eine zulässige Antwort ist und dass nach jedem abgeschlossenen Zugpaar \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2 \] gilt.
Diese Gleichungen und Ungleichungen gelten für \(k=0\). Angenommen, die ersten \(k-1\) Zugpaare sind abgeschlossen. Hat Alice keinen zulässigen Zug, so hat Bazza bereits gewonnen. Andernfalls erfüllt ihre zulässige Wahl \(a\) \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] Somit ist \(b=\sqrt{2-a^2}\) wohldefiniert und nichtnegativ. Außerdem gilt \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] also ist Bazzas Antwort zulässig. Wegen \(a,b\geq0\) gilt \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] und daher \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] Damit ist die Induktion bewiesen, und insbesondere ist gezeigt, dass Bazza für \(\lambda\leq1/\sqrt2\) stets verhindern kann, dass Alice gewinnt.
Ist \(\lambda<1/\sqrt2\), so wählen wir eine positive ganze Zahl \(k\) so, dass \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] Erreicht das Spiel das Ende des \(k\)-ten Zugpaares, so gilt \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] Alice hat daher im Zug \(2k+1\) keinen zulässigen Zug. Da Bazza stets eine zulässige Antwort hat, erzwingt seine Strategie einen Sieg in endlich vielen Zügen.
Alices Strategie für \(\lambda\geq1/\sqrt2\). Zunächst stellen wir fest, dass Alice beliebig viele Züge lang gefahrlos null wählen kann. Sind nämlich ihre ersten \(k\) gewählten Zahlen null, so gilt nach Bazzas \(k\)-tem Zug \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] Nach der Cauchy-Schwarz-Ungleichung ist \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] Folglich ist null auch in Alices nächstem Zug zulässig. Ihre anfängliche Wahl von null ist ebenfalls zulässig, womit die Behauptung induktiv bewiesen ist. Insbesondere besitzt Bazza für \(\lambda\geq1/\sqrt2\) keine Gewinnstrategie.
Nehmen wir nun an, dass \(\lambda>1/\sqrt2\), und setzen wir \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] Wir wählen eine ganze Zahl \(k\geq1\), die so groß ist, dass \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] Eine solche ganze Zahl existiert; beispielsweise eignet sich jede ganze Zahl \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\), denn dann gilt \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
Alice wählt in ihren ersten \(k\) Zügen null. Wie oben bewiesen, sind alle diese Wahlen zulässig, unabhängig von Bazzas Zügen. Im Zug \(2k+1\) wählt sie \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] Mit \(S_{2k}\leq k\sqrt2\) erhalten wir \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] Somit ist ihre Wahl nichtnegativ und zulässig, aber es gilt \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] Bazza kann seine Bedingung im Zug \(2k+2\) nicht erfüllen, welche nichtnegative Zahl er auch wählt. Alice gewinnt daher.
Schließlich verhindert für \(\lambda=1/\sqrt2\) Bazzas obige Strategie einen Sieg von Alice, während Alices Strategie, stets null zu wählen, einen Sieg von Bazza verhindert. Somit besitzt bei diesem Grenzwert keiner der Spieler eine Gewinnstrategie.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 5
Aslı ve Betül bir Avustralya oyunu oynamaktadır, bu oyun iki kişiliktir ve kuralları her iki oyuncunun da bildiği bir \(\lambda\) pozitif gerçel sayısına bağlıdır. Oyunun \(n\). hamlesinde (\(n=1\) ile başlayarak) aşağıdaki hamleler yapılmaktadır:
- \(n\) tek sayı ise, Aslı \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n \] olacak şekilde bir \(x_n\) negatif olmayan gerçel sayısı seçmektedir.
- \(n\) çift sayı ise, Betül \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n \] olacak şekilde bir \(x_n\) negatif olmayan gerçel sayısı seçmektedir.
Kurallara uygun bir \(x_n\) sayısı seçemeyen oyuncu oyunu kaybediyor ve diğer oyuncu oyunu kazanıyor. Oyun sonsuza kadar devam ederse hiçbir oyuncu oyunu kazanmıyor. Her iki oyuncu da seçilen tüm sayıları bilmektedir.
\(\lambda\) sayısının hangi değerlerinde Aslı’nın kazanma stratejisinin bulunduğunu ve hangi değerlerinde Betül’ün kazanma stratejisinin bulunduğunu belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
- Aslı'nın kazanma stratejisi vardır ancak ve ancak \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- Betül'ün kazanma stratejisi vardır ancak ve ancak \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\) olduğunda hiçbir oyuncunun kazanma stratejisi yoktur.
Çözüm
\[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2 \] ve \(S_0=Q_0=0\) olsun. \(2k-1\) ve \(2k\) numaralı hamlelere \(k\). hamle çifti diyelim.
\(\lambda\leq 1/\sqrt2\) olduğunda Betül'ün stratejisi. Aslı \(a=x_{2k-1}\) seçtikten sonra Betül \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2} \] seçer. Bunun her zaman kurallara uygun bir yanıt olduğunu ve tamamlanan her hamle çiftinden sonra \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2 \] olduğunu tümevarımla kanıtlayalım.
Bu eşitlik ve eşitsizlikler \(k=0\) için sağlanır. İlk \(k-1\) hamle çiftinin tamamlandığını varsayalım. Aslı'nın kurallara uygun bir hamlesi yoksa Betül zaten kazanmıştır. Aksi hâlde Aslı'nın kurallara uygun seçimi \(a\), \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2} \end{aligned} \] eşitsizliklerini sağlar. Böylece \(b=\sqrt{2-a^2}\) iyi tanımlıdır ve negatif değildir. Üstelik, \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k \] olduğundan Betül'ün yanıtı kurallara uygundur. \(a,b\geq0\) olduğundan \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2 \] ve dolayısıyla \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2 \] elde edilir. Bu, tümevarımı tamamlar ve özellikle \(\lambda\leq1/\sqrt2\) olduğunda Betül'ün Aslı'nın kazanmasını her zaman engelleyebileceğini gösterir.
\(\lambda<1/\sqrt2\) ise \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda \] olacak şekilde bir \(k\) pozitif tam sayısı seçelim. Oyun \(k\). hamle çiftinin sonuna ulaşırsa \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1) \] olur. Dolayısıyla Aslı'nın \(2k+1\). hamlede kurallara uygun bir seçimi yoktur. Betül'ün her zaman kurallara uygun bir yanıtı bulunduğundan bu strateji ona sonlu sayıda hamlede kazanmayı garantiler.
\(\lambda\geq1/\sqrt2\) olduğunda Aslı'nın stratejisi. Önce Aslı'nın istediği kadar hamle boyunca güvenle sıfır seçebileceğini gözlemleyelim. Gerçekten de ilk \(k\) seçimi sıfır ise Betül'ün \(k\). hamlesinden sonra \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k \] olur. Cauchy–Schwarz eşitsizliğinden, \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1) \] elde edilir. Sonuç olarak Aslı'nın bir sonraki hamlesinde sıfır yine kurallara uygundur. İlk hamlesinde sıfır seçmesi de kurallara uygun olduğundan iddia tümevarımla kanıtlanmış olur. Özellikle \(\lambda\geq1/\sqrt2\) olduğunda Betül'ün kazanma stratejisi yoktur.
Şimdi \(\lambda>1/\sqrt2\) olduğunu varsayalım ve \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0 \] olsun. \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2} \] olacak kadar büyük bir \(k\geq1\) tam sayısı seçelim. Böyle bir tam sayı vardır; örneğin \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\) koşulunu sağlayan herhangi bir tam sayı uygundur, çünkü bu durumda \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2} \] olur.
Aslı ilk \(k\) hamlesinde sıfır seçer. Yukarıda kanıtlandığı üzere, Betül'ün hamleleri ne olursa olsun bu seçimlerin hepsi kurallara uygundur. \(2k+1\). hamlede \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k} \] seçer. \(S_{2k}\leq k\sqrt2\) kullanılarak \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2} \] elde edilir. Böylece seçimi negatif değildir ve kurallara uygundur, ancak \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2 \] olur. Betül hangi negatif olmayan sayıyı seçerse seçsin \(2k+2\). hamlede kendi koşulunu sağlayamaz. Dolayısıyla Aslı kazanır.
Son olarak, \(\lambda=1/\sqrt2\) olduğunda Betül'ün yukarıdaki stratejisi Aslı'nın kazanmasını engellerken Aslı'nın her zaman sıfır seçme stratejisi de Betül'ün kazanmasını engeller. Dolayısıyla bu sınır değerinde hiçbir oyuncunun kazanma stratejisi yoktur.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 5
Alicia y Beto están jugando al juego del koala, un juego para dos jugadores cuyas reglas dependen de un número real positivo \(\lambda\), que ambos jugadores conocen. En el \(n\)-ésimo turno del juego (comenzando con \(n=1\)) ocurre lo siguiente:
-
Si \(n\) es impar, Alicia elige un número real no negativo \(x_n\) tal que \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n. \]
-
Si \(n\) es par, Beto elige un número real no negativo \(x_n\) tal que \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
Si uno de los jugadores ya no puede elegir un número \(x_n\), el juego termina y el otro jugador gana. Si el juego continúa indefinidamente, ninguno de los jugadores gana. Ambos jugadores siempre conocen los números elegidos.
Determine todos los valores de \(\lambda\) para los cuales Alicia tiene una estrategia ganadora, y todos los valores de \(\lambda\) para los cuales Beto tiene una estrategia ganadora.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
- Alicia tiene una estrategia ganadora exactamente cuando \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- Beto tiene una estrategia ganadora exactamente cuando \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- Cuando \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\), ninguno de los jugadores tiene una estrategia ganadora.
Solución
Escribamos \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] con \(S_0=Q_0=0\). Llamemos a los turnos \(2k-1\) y \(2k\) el \(k\)-ésimo par de turnos.
Estrategia de Beto cuando \(\lambda\leq 1/\sqrt2\). Después de que Alicia elija \(a=x_{2k-1}\), Beto elige \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] Demostramos por inducción que esta respuesta siempre es válida y que, después de cada par completado, \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2. \]
Estas igualdades y desigualdades se cumplen para \(k=0\). Supongamos que se han completado los primeros \(k-1\) pares. Si Alicia no tiene ninguna jugada válida, Beto ya ha ganado. En caso contrario, su elección válida \(a\) satisface \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] Así, \(b=\sqrt{2-a^2}\) está bien definido y es no negativo. Además, \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] por lo que la respuesta de Beto es válida. Como \(a,b\geq0\), \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] y por tanto \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] Esto completa la inducción y, en particular, muestra que Beto siempre puede impedir que Alicia gane cuando \(\lambda\leq1/\sqrt2\).
Si \(\lambda<1/\sqrt2\), elijamos un entero positivo \(k\) tal que \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] Si el juego llega al final del \(k\)-ésimo par, entonces \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] Por tanto, Alicia no tiene ninguna jugada válida en el turno \(2k+1\). Como Beto siempre dispone de una respuesta válida, su estrategia fuerza una victoria en un número finito de turnos.
Estrategia de Alicia cuando \(\lambda\geq1/\sqrt2\). Observemos primero que Alicia puede elegir cero sin riesgo durante tantos turnos como desee. En efecto, si sus primeras \(k\) elecciones son cero, entonces, después de la \(k\)-ésima jugada de Beto, \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] Por la desigualdad de Cauchy–Schwarz, \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] Por consiguiente, cero vuelve a ser una elección válida en el siguiente turno de Alicia. Su elección inicial de cero también es válida, por lo que esto demuestra la afirmación por inducción. En particular, Beto no tiene una estrategia ganadora cuando \(\lambda\geq1/\sqrt2\).
Supongamos ahora que \(\lambda>1/\sqrt2\), y sea \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] Elijamos un entero \(k\geq1\) suficientemente grande para que \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] Tal entero existe; por ejemplo, sirve cualquier entero \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\), ya que entonces \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
Alicia elige cero en sus primeros \(k\) turnos. Como se demostró antes, todas estas elecciones son válidas, independientemente de las jugadas de Beto. En el turno \(2k+1\), elige \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] Usando \(S_{2k}\leq k\sqrt2\), obtenemos \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] Así, su elección es no negativa y válida, pero \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] Beto no puede satisfacer su restricción en el turno \(2k+2\), sea cual sea el número no negativo que elija. Por tanto, Alicia gana.
Finalmente, para \(\lambda=1/\sqrt2\), la estrategia anterior de Beto impide que Alicia gane, mientras que la estrategia de Alicia de elegir siempre cero impide que Beto gane. Por tanto, ninguno de los jugadores tiene una estrategia ganadora en este valor frontera.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 5
甲乙两人玩一个双人游戏,其规则依赖于一个双方都知道的正实数 \(\lambda\)。在此游戏的第 \(n\) 轮(从 \(n=1\) 开始),玩家按照如下规则操作:
-
若 \(n\) 是奇数,甲选取一个非负实数 \(x_n\) 满足 \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n. \]
-
若 \(n\) 是偶数,乙选取一个非负实数 \(x_n\) 满足 \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
若某位玩家无法选取满足要求的 \(x_n\),则游戏结束且另一位玩家获胜。若此游戏可以永远进行下去,则两人皆不算获胜。双方都知道之前每一轮中选取过的数。
求所有使得甲有必胜策略的 \(\lambda\),并求所有使得乙有必胜策略的 \(\lambda\)。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
- 甲有必胜策略当且仅当 \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\)。
- 乙有必胜策略当且仅当 \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\)。
- 当 \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\) 时,双方都没有必胜策略。
解答
记 \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] 并令 \(S_0=Q_0=0\)。将第 \(2k-1\) 轮和第 \(2k\) 轮称为第 \(k\) 对轮次。
当 \(\lambda\leq 1/\sqrt2\) 时乙的策略。 在甲选取 \(a=x_{2k-1}\) 后,乙选取 \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] 我们用归纳法证明,这总是一个合法的应对,并且每完成一对轮次后,都有 \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2. \]
当 \(k=0\) 时,这些等式和不等式成立。假设前 \(k-1\) 对轮次已经完成。如果甲没有合法的选择,乙就已经获胜。否则,甲的合法选择 \(a\) 满足 \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] 因此 \(b=\sqrt{2-a^2}\) 有定义且非负。此外, \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] 所以乙的应对是合法的。由于 \(a,b\geq0\), \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] 从而 \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] 归纳完成;特别地,这表明当 \(\lambda\leq1/\sqrt2\) 时,乙总能阻止甲获胜。
如果 \(\lambda<1/\sqrt2\),选取正整数 \(k\) 使得 \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] 如果游戏进行到第 \(k\) 对轮次结束,那么 \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] 因此,甲在第 \(2k+1\) 轮没有合法的选择。由于乙始终有合法的应对,这一策略保证他在有限轮内获胜。
当 \(\lambda\geq1/\sqrt2\) 时甲的策略。 首先注意到,甲可以安全地连续选取任意多次零。事实上,如果甲的前 \(k\) 次选择都是零,那么在乙第 \(k\) 次操作之后, \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] 由柯西–施瓦茨不等式, \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] 因此,甲在下一轮选取零仍然合法。甲最初选取零也合法,所以归纳即得上述结论。特别地,当 \(\lambda\geq1/\sqrt2\) 时,乙没有必胜策略。
现在假设 \(\lambda>1/\sqrt2\),并令 \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] 选取充分大的整数 \(k\geq1\),使得 \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] 这样的整数存在;例如,任何整数 \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\) 都满足要求,因为此时 \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
甲在自己的前 \(k\) 轮中都选取零。如上所证,无论乙如何选择,这些选择都是合法的。在第 \(2k+1\) 轮,甲选取 \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] 利用 \(S_{2k}\leq k\sqrt2\),得到 \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] 因此,甲选取的数非负且合法,但是 \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] 乙在第 \(2k+2\) 轮无论选取什么非负数,都无法满足自己的约束。因此甲获胜。
最后,当 \(\lambda=1/\sqrt2\) 时,乙采用上述策略可以阻止甲获胜,而甲采用始终选取零的策略可以阻止乙获胜。因此,在这一临界值处,双方都没有必胜策略。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 5
Алиса и Базза играют в игру коалация, игру для двух игроков, правила которой зависят от положительного действительного числа \(\lambda\), известного обоим игрокам. На \(n\)-ом ходу игры (начиная с \(n=1\)) происходит следующее:
-
Если \(n\) нечётно, то Алиса выбирает неотрицательное действительное число \(x_n\) такое, что \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n. \]
-
Если \(n\) чётно, то Базза выбирает неотрицательное действительное число \(x_n\) такое, что \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
Если игрок не может выбрать подходящее число \(x_n\), игра заканчивается и другой игрок выигрывает. Если игра продолжается бесконечно, ни один из игроков не выигрывает. Все выбранные числа известны обоим игрокам.
Определите все значения \(\lambda\), для которых у Алисы есть выигрышная стратегия, и все значения, для которых у Баззы есть выигрышная стратегия.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
- У Алисы есть выигрышная стратегия тогда и только тогда, когда \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- У Баззы есть выигрышная стратегия тогда и только тогда, когда \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- При \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\) ни у одного из игроков нет выигрышной стратегии.
Решение
Обозначим \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] причём \(S_0=Q_0=0\). Назовём ходы \(2k-1\) и \(2k\) \(k\)-й парой ходов.
Стратегия Баззы при \(\lambda\leq 1/\sqrt2\). После того как Алиса выбирает \(a=x_{2k-1}\), Базза выбирает \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] Докажем по индукции, что этот ответ всегда допустим и что после каждой завершённой пары \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2. \]
Эти равенства и неравенства выполняются при \(k=0\). Предположим, что первые \(k-1\) пар завершены. Если у Алисы нет допустимого хода, Базза уже выиграл. В противном случае выбранное ею допустимое число \(a\) удовлетворяет \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] Таким образом, \(b=\sqrt{2-a^2}\) определено и неотрицательно. Кроме того, \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] поэтому ответ Баззы допустим. Поскольку \(a,b\geq0\), \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] и, следовательно, \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] Это завершает доказательство по индукции и, в частности, показывает, что при \(\lambda\leq1/\sqrt2\) Базза всегда может не дать Алисе выиграть.
Если \(\lambda<1/\sqrt2\), выберем положительное целое \(k\), для которого \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] Если игра дойдёт до конца \(k\)-й пары, то \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] Следовательно, на ходу \(2k+1\) у Алисы нет допустимого хода. Поскольку у Баззы всегда есть допустимый ответ, его стратегия гарантирует выигрыш за конечное число ходов.
Стратегия Алисы при \(\lambda\geq1/\sqrt2\). Сначала заметим, что Алиса может без риска выбирать ноль столько ходов, сколько пожелает. Действительно, если первые \(k\) выбранных ею чисел равны нулю, то после \(k\)-го хода Баззы \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] По неравенству Коши — Буняковского \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] Следовательно, на следующем ходу Алисы ноль снова допустим. Выбор нуля на её первом ходу также допустим, поэтому утверждение доказано по индукции. В частности, при \(\lambda\geq1/\sqrt2\) у Баззы нет выигрышной стратегии.
Теперь предположим, что \(\lambda>1/\sqrt2\), и положим \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] Выберем целое \(k\geq1\), достаточно большое, чтобы \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] Такое целое число существует; например, подойдёт любое целое \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\), поскольку тогда \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
На своих первых \(k\) ходах Алиса выбирает ноль. Как доказано выше, все эти выборы допустимы независимо от ходов Баззы. На ходу \(2k+1\) она выбирает \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] Используя \(S_{2k}\leq k\sqrt2\), получаем \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] Таким образом, выбранное ею число неотрицательно и допустимо, но \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] На ходу \(2k+2\) Базза не может выполнить своё ограничение, какое бы неотрицательное число он ни выбрал. Следовательно, Алиса выигрывает.
Наконец, при \(\lambda=1/\sqrt2\) описанная выше стратегия Баззы не даёт Алисе выиграть, а стратегия Алисы, состоящая в постоянном выборе нуля, не даёт выиграть Баззе. Значит, при этом граничном значении ни у одного из игроков нет выигрышной стратегии.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 5
تلعب أليس وبازا لعبة تُسمى لعبة اللاتساوي، وهي لعبة بين لاعبين وتعتمد قواعدها على عدد حقيقي موجب \(\lambda\) يكون معروفاً لكلا اللاعبين. في الدور رقم \(n\) من اللعبة (بدءاً من \(n=1\)) يحدث ما يلي:
-
إذا كان \(n\) فردياً، تختار أليس عدداً حقيقياً غير سالب \(x_n\) بحيث: \[ x_1+x_2+\cdots+x_n\leq\lambda n. \]
-
إذا كان \(n\) زوجياً، يختار بازا عدداً حقيقياً غير سالب \(x_n\) بحيث: \[ x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2\leq n. \]
إذا لم يتمكن أحد اللاعبين من اختيار عدد \(x_n\) مناسب، تنتهي اللعبة ويفوز اللاعب الآخر. إذا استمرت اللعبة إلى ما لا نهاية، فلا أحد من اللاعبين يفوز. جميع الأعداد التي يتم اختيارها تكون معلومة لكلا اللاعبين.
حدد جميع قيم \(\lambda\) التي تمتلك فيها أليس استراتيجية فوز، وجميع القيم التي يمتلك فيها بازا استراتيجية فوز.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
- تمتلك أليس استراتيجية فوز إذا وفقط إذا كان \(\displaystyle \lambda>\frac1{\sqrt2}\).
- يمتلك بازا استراتيجية فوز إذا وفقط إذا كان \(\displaystyle 0<\lambda<\frac1{\sqrt2}\).
- عندما \(\displaystyle \lambda=\frac1{\sqrt2}\)، لا يمتلك أيٌّ من اللاعبين استراتيجية فوز.
الحل
لنكتب \[ S_n=\sum_{i=1}^{n}x_i,\qquad Q_n=\sum_{i=1}^{n}x_i^2, \] مع \(S_0=Q_0=0\). نسمّي الدورين \(2k-1\) و \(2k\) الزوج رقم \(k\) من الأدوار.
استراتيجية بازا عندما \(\lambda\leq 1/\sqrt2\). بعد أن تختار أليس \(a=x_{2k-1}\)، يختار بازا \[ b=x_{2k}=\sqrt{2-a^2}. \] نثبت بالاستقراء أن هذا الرد مسموح به دائماً، وأنه بعد كل زوج مكتمل، \[ Q_{2k}=2k,\qquad S_{2k}\geq k\sqrt2. \]
تتحقق هذه المساواة والمتباينة عندما \(k=0\). لنفترض أن الأزواج الـ \(k-1\) الأولى قد اكتملت. إذا لم تكن لدى أليس نقلة مسموح بها، فقد فاز بازا بالفعل. وإلا، فإن اختيارها المسموح به \(a\) يحقق \[ \begin{aligned} 0\leq a &\leq \lambda(2k-1)-S_{2k-2}\\ &\leq \lambda(2k-1)-(k-1)\sqrt2\\ &=\lambda+(k-1)(2\lambda-\sqrt2) \leq \lambda \leq \frac1{\sqrt2}. \end{aligned} \] إذن \(b=\sqrt{2-a^2}\) معرّف وغير سالب. فضلاً عن ذلك، \[ Q_{2k}=Q_{2k-2}+a^2+b^2=(2k-2)+2=2k, \] فيكون رد بازا مسموحاً به. وبما أن \(a,b\geq0\)، \[ (a+b)^2=a^2+b^2+2ab\geq2, \] ومن ثم \[ S_{2k}\geq (k-1)\sqrt2+\sqrt2=k\sqrt2. \] وهذا يثبت الاستقراء، ويُظهر، على وجه الخصوص، أن بازا يستطيع دائماً منع أليس من الفوز عندما \(\lambda\leq1/\sqrt2\).
إذا كان \(\lambda<1/\sqrt2\)، نختار عدداً صحيحاً موجباً \(k\) بحيث \[ k(\sqrt2-2\lambda)>\lambda. \] إذا وصلت اللعبة إلى نهاية الزوج رقم \(k\)، فإن \[ S_{2k}\geq k\sqrt2>\lambda(2k+1). \] ولذلك لا تكون لدى أليس نقلة مسموح بها في الدور \(2k+1\). وبما أن بازا لا يعجز أبداً عن إيجاد رد مسموح به، فإن استراتيجيته تضمن الفوز في عدد منتهٍ من الأدوار.
استراتيجية أليس عندما \(\lambda\geq1/\sqrt2\). نلاحظ أولاً أن أليس تستطيع أن تختار الصفر بأمان في أي عدد تشاء من الأدوار. بالفعل، إذا كانت اختياراتها الـ \(k\) الأولى أصفاراً، فإنه بعد نقلة بازا رقم \(k\)، \[ Q_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2\leq2k. \] وبحسب متباينة كوشي–شفارتز، \[ S_{2k}=\sum_{j=1}^{k}x_{2j} \leq \sqrt{k\sum_{j=1}^{k}x_{2j}^2} \leq k\sqrt2 \leq \lambda(2k+1). \] وعليه، يكون الصفر مسموحاً به مجدداً في دور أليس التالي. كما أن اختيارها الأول للصفر مسموح به، وهذا يثبت الادعاء بالاستقراء. وعلى وجه الخصوص، لا يمتلك بازا استراتيجية فوز عندما \(\lambda\geq1/\sqrt2\).
لنفترض الآن أن \(\lambda>1/\sqrt2\)، ولنضع \[ \delta=2\lambda-\sqrt2>0. \] نختار عدداً صحيحاً \(k\geq1\) كبيراً بما يكفي بحيث \[ \lambda+\delta k>\sqrt{2k+2}. \] يوجد مثل هذا العدد الصحيح؛ فعلى سبيل المثال، يصلح أي عدد صحيح \(k>\max\{1,4/\delta^2\}\)، لأنه عندئذ \[ \delta k>2\sqrt{k}\geq\sqrt{2k+2}. \]
تختار أليس الصفر في أدوارها الـ \(k\) الأولى. وكما أثبتنا أعلاه، فإن جميع هذه الاختيارات مسموح بها، مهما كانت نقلات بازا. وفي الدور \(2k+1\)، تختار \[ x_{2k+1}=\lambda(2k+1)-S_{2k}. \] وباستخدام \(S_{2k}\leq k\sqrt2\)، نحصل على \[ x_{2k+1}\geq\lambda(2k+1)-k\sqrt2 =\lambda+\delta k >\sqrt{2k+2}. \] إذن اختيارها غير سالب ومسموح به، لكن \[ Q_{2k+1}\geq x_{2k+1}^2>2k+2. \] لا يستطيع بازا تحقيق شرطه في الدور \(2k+2\)، أياً كان العدد غير السالب الذي يختاره. ولذلك تفوز أليس.
وأخيراً، عند \(\lambda=1/\sqrt2\)، تمنع استراتيجية بازا أعلاه أليس من الفوز، بينما تمنع استراتيجية أليس المتمثلة في اختيار الصفر دائماً بازا من الفوز. ومن ثم لا يمتلك أيٌّ من اللاعبين استراتيجية فوز عند هذه القيمة الحدية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.