IMO 2025 · Problem 6
Consider a \(2025 \times 2025\) grid of unit squares. Matilda wishes to place on the grid some rectangular tiles, possibly of different sizes, such that each side of every tile lies on a grid line and every unit square is covered by at most one tile.
Determine the minimum number of tiles Matilda needs to place so that each row and each column of the grid has exactly one unit square that is not covered by any tile.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{2112} \]
Solution
Call the uncovered unit squares holes. We first prove that on an \(n\times n\) board, any valid arrangement uses at least \[ n+2\sqrt n-3 \] tiles. We then attain this bound when \(n=2025=45^2\).
Lower bound.
Suppose there are \(t\) tiles. Regard the \(n\) holes as additional \(1\times1\) rectangles, obtaining a partition of the whole board into \(t+n\) rectangles.
Let \(s\) be the total number of maximal straight segments formed by the internal boundaries of this partition. Segments continue through junctions whenever the boundary continues straight. Let \(x\) be the number of interior junctions at which four rectangles meet.
We claim that \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] Indeed, let \(u\) be the number of interior T-junctions, and let \(b\) be the number of boundary junctions other than the board’s four corners. Each T-junction or boundary junction is the endpoint of exactly one maximal internal segment, whereas a four-way junction is not an endpoint. Thus \[ 2s=u+b. \] Counting corners of the \(t+n\) rectangles gives \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] which proves (1). These counts also apply when holes touch the boundary or meet diagonally.
Number the rows from bottom to top and the columns from left to right. The hole in row \(r\) lies in some column \(p(r)\), where \(p\) is a permutation of \(1,\ldots,n\).
For each pair of consecutive rows, draw a horizontal bridge joining the midpoints of the two hole sides lying on their common row boundary. Similarly, for each pair of consecutive columns, draw a vertical bridge joining the midpoints of the two hole sides on their common column boundary.
Initially retain precisely those bridges that lie entirely on boundaries of the rectangle partition. If a horizontal bridge is not retained, its two endpoint hole sides belong to different maximal horizontal boundary segments. Hence that horizontal grid line contains at least two such segments. Every internal horizontal grid line contains at least one segment, and the analogous statements hold vertically. Consequently, the number of bridges not retained is at most \[ s-2(n-1). \]
Whenever a retained horizontal bridge intersects a retained vertical bridge, their intersection is a four-way junction: it lies in the interior of both bridges, since bridge endpoints are side midpoints whereas such intersections are grid vertices. There are therefore at most \(x\) such intersections.
Delete every retained horizontal bridge that intersects a retained vertical bridge. This deletes at most \(x\) further bridges. We now have no intersections between retained horizontal and vertical bridges, and the total number of omitted bridges is at most \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] using (1).
The retained horizontal bridges divide the rows into \(h\) consecutive blocks: two consecutive rows belong to the same block exactly when their bridge was retained. Likewise, the retained vertical bridges divide the columns into \(v\) consecutive blocks. The total number of omitted bridges is \[ (h-1)+(v-1). \] Thus (2) gives \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
We next show that each intersection of a row block and a column block contains at most one hole.
For a fixed row block, draw the vertical unit segment through the centre of every hole in that block, and join these segments using the retained horizontal bridges. Extend the bottom and top ends vertically to infinity, producing a path \(P\). Every horizontal line meets \(P\) in either one point or one segment. Thus every point outside \(P\) lies unambiguously to its left or to its right, and this designation cannot change continuously without meeting \(P\).
For a fixed column block, construct the analogous path \(Q\) from horizontal unit segments through its holes and retained vertical bridges. Extend its ends horizontally to infinity, and traverse it from left to right.
The horizontal parts of \(P\) cannot intersect the vertical parts of \(Q\), because these are retained bridges. Parallel parts cannot meet either: vertical parts of \(P\) have half-integer horizontal coordinates, while vertical parts of \(Q\) have integer horizontal coordinates; the analogous distinction holds for horizontal parts.
Therefore every intersection of \(P\) and \(Q\) has \(P\) vertical and \(Q\) horizontal. At each such intersection, \(Q\) crosses from the left side of \(P\) to its right side. There can be at most one such crossing, since a second would require an intervening return to the left side. Every hole belonging to both chosen blocks contributes an intersection at its centre. This proves the claim.
There are \(hv\) block intersections and \(n\) holes, so \[ n\le hv. \] Combining this with (3) and the arithmetic–geometric mean inequality yields \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] For \(n=2025\), this gives \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
Construction attaining the bound.
Let \(m=45\), \(n=m^2=2025\), and \(N=m^2+1=2026\). We describe a pattern on the infinite grid and then restrict it to the board.
For every pair of integers \((a,b)\) satisfying \[ b\equiv ma\pmod N, \] take the \(m\times m\) square consisting of rows \[ a+1,\ldots,a+m \] and columns \[ b,\ldots,b+m-1. \]
These squares cover exactly once every unit square \((r,c)\) for which \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] and leave all other unit squares uncovered. To verify this, a unit square in the square indexed by \((a,b)\) has \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] where \(1\le u\le m\) and \(0\le w\le m-1\). Hence \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] The numbers \(mu-w\), as \((u,w)\) varies over these ranges, are precisely \(1,2,\ldots,m^2\), each once.
Thus a cell with residue \(0\) is uncovered. For any other cell, its residue uniquely determines \(u,w\), and then uniquely determines \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] This proves both coverage and nonoverlap.
Intersect these squares with the \(n\times n\) board, keeping only positive-area intersections. Each intersection is a valid rectangular tile. The holes are precisely the cells satisfying \[ c\equiv mr\pmod N. \] Since \(\gcd(m,N)=1\), multiplication by \(m\) permutes the nonzero residues modulo \(N\). Therefore there is exactly one hole in every row and column of the board.
It remains to count the tiles. The square indexed by \((a,b)\) meets the board in positive area exactly when \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] The admissible pairs satisfying \(b\equiv ma\pmod N\) fall into three cases:
- If \(a\ge1\) and \(b\ge1\), each \(a=1,\ldots,n-1\) gives exactly one \(b\in\{1,\ldots,n\}\). This gives \(n-1\) tiles.
- If \(a<0\), write \(a=-k\), where \(1\le k\le m-1\). The unique admissible value is \(b=N-mk>0\), giving \(m-1\) tiles. Indeed, the next smaller congruent value is \(-mk<2-m\).
- If \(a\ge0\) and \(b\le0\), write \(b=-\ell\), where \(0\le\ell\le m-2\). Since \(m^2\equiv-1\pmod N\), the congruence gives \(a\equiv m\ell\pmod N\). Its unique admissible value is \(a=m\ell\), giving another \(m-1\) tiles.
There is no admissible pair with \(a=0\) and \(b>0\), so these cases are exhaustive. The number of tiles is therefore \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] Together with (4), this proves minimality.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2025 · Aufgabe 6
Gegeben sei ein aus Einheitsquadraten bestehendes \((2025\times2025)\)-Spielbrett. Matilda möchte rechteckige Kacheln, die unterschiedliche Größen haben können, derart auf das Spielbrett legen, dass der Rand jeder Kachel entlang der Ränder von Einheitsquadraten verläuft und jedes Einheitsquadrat von höchstens einer Kachel überdeckt wird.
Man bestimme die kleinstmögliche Anzahl von Kacheln, die Matilda so auf dem Spielbrett platzieren kann, dass in jeder Zeile und in jeder Spalte genau ein Einheitsquadrat von keiner der Kacheln überdeckt ist.
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{2112} \]
Lösung
Wir nennen die nicht überdeckten Einheitsquadrate Löcher. Zunächst beweisen wir, dass auf einem \(n\times n\)-Spielbrett jede zulässige Anordnung mindestens \[ n+2\sqrt n-3 \] Kacheln verwendet. Anschließend erreichen wir diese Schranke für \(n=2025=45^2\).
Untere Schranke.
Angenommen, es gibt \(t\) Kacheln. Wir betrachten die \(n\) Löcher als zusätzliche \(1\times1\)-Rechtecke und erhalten so eine Zerlegung des gesamten Spielbretts in \(t+n\) Rechtecke.
Sei \(s\) die Gesamtzahl der maximalen geraden Strecken, die von den inneren Begrenzungslinien dieser Zerlegung gebildet werden. Die Strecken setzen sich durch Knotenpunkte hindurch fort, wenn die Begrenzungslinie gerade weiterläuft. Sei \(x\) die Anzahl der inneren Knotenpunkte, an denen vier Rechtecke zusammentreffen.
Wir behaupten, dass \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] Sei dazu \(u\) die Anzahl der inneren T-Knotenpunkte und \(b\) die Anzahl der Randknotenpunkte außer den vier Ecken des Spielbretts. Jeder T-Knotenpunkt oder Randknotenpunkt ist der Endpunkt genau einer maximalen inneren Strecke, während ein Knotenpunkt, an dem vier Rechtecke zusammentreffen, kein Endpunkt ist. Somit gilt \[ 2s=u+b. \] Durch Zählen der Ecken der \(t+n\) Rechtecke erhalten wir \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] was (1) beweist. Diese Zählungen gelten auch dann, wenn Löcher den Rand berühren oder diagonal aneinanderstoßen.
Wir nummerieren die Zeilen von unten nach oben und die Spalten von links nach rechts. Das Loch in Zeile \(r\) liegt in einer Spalte \(p(r)\), wobei \(p\) eine Permutation von \(1,\ldots,n\) ist.
Für jedes Paar aufeinanderfolgender Zeilen zeichnen wir eine waagerechte Brücke, welche die Mittelpunkte der beiden Lochseiten verbindet, die auf der gemeinsamen Zeilengrenze liegen. Ebenso zeichnen wir für jedes Paar aufeinanderfolgender Spalten eine senkrechte Brücke, welche die Mittelpunkte der beiden Lochseiten auf ihrer gemeinsamen Spaltengrenze verbindet.
Zunächst behalten wir genau diejenigen Brücken bei, die vollständig auf Begrenzungslinien der Rechteckzerlegung liegen. Wird eine waagerechte Brücke nicht beibehalten, so gehören die beiden Lochseiten an ihren Endpunkten zu verschiedenen maximalen waagerechten Begrenzungsstrecken. Daher enthält diese waagerechte Gittergerade mindestens zwei solche Strecken. Jede innere waagerechte Gittergerade enthält mindestens eine Strecke, und die entsprechenden Aussagen gelten auch in senkrechter Richtung. Folglich ist die Anzahl der nicht beibehaltenen Brücken höchstens \[ s-2(n-1). \]
Schneidet eine beibehaltene waagerechte Brücke eine beibehaltene senkrechte Brücke, so ist ihr Schnittpunkt ein Knotenpunkt, an dem vier Rechtecke zusammentreffen: Er liegt im Inneren beider Brücken, denn Brückenendpunkte sind Seitenmittelpunkte, während solche Schnittpunkte Gitterpunkte sind. Daher gibt es höchstens \(x\) solche Schnittpunkte.
Wir entfernen jede beibehaltene waagerechte Brücke, die eine beibehaltene senkrechte Brücke schneidet. Dadurch werden höchstens \(x\) weitere Brücken entfernt. Nun gibt es keine Schnittpunkte zwischen beibehaltenen waagerechten und senkrechten Brücken mehr, und die Gesamtzahl der weggelassenen Brücken ist höchstens \[ s-2(n-1)+x=t-n+1. \tag{2} \] Dabei haben wir (1) verwendet.
Die beibehaltenen waagerechten Brücken unterteilen die Zeilen in \(h\) zusammenhängende Blöcke: Zwei aufeinanderfolgende Zeilen gehören genau dann zum selben Block, wenn ihre Brücke beibehalten wurde. Ebenso unterteilen die beibehaltenen senkrechten Brücken die Spalten in \(v\) zusammenhängende Blöcke. Die Gesamtzahl der weggelassenen Brücken beträgt \[ (h-1)+(v-1). \] Somit ergibt (2) \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
Als Nächstes zeigen wir, dass jeder Schnitt eines Zeilenblocks mit einem Spaltenblock höchstens ein Loch enthält.
Für einen festen Zeilenblock zeichnen wir durch den Mittelpunkt jedes Lochs in diesem Block die senkrechte Einheitsstrecke und verbinden diese Strecken mithilfe der beibehaltenen waagerechten Brücken. Wir verlängern das untere und das obere Ende senkrecht ins Unendliche und erhalten einen Weg \(P\). Jede waagerechte Gerade trifft \(P\) entweder in einem Punkt oder in einer Strecke. Somit liegt jeder Punkt außerhalb von \(P\) eindeutig links oder rechts davon, und diese Zuordnung kann sich bei einer stetigen Bewegung nicht ändern, ohne dass \(P\) getroffen wird.
Für einen festen Spaltenblock konstruieren wir den entsprechenden Weg \(Q\) aus waagerechten Einheitsstrecken durch seine Löcher und beibehaltenen senkrechten Brücken. Wir verlängern seine Enden waagerecht ins Unendliche und durchlaufen ihn von links nach rechts.
Die waagerechten Teile von \(P\) können die senkrechten Teile von \(Q\) nicht schneiden, da dies beibehaltene Brücken sind. Auch parallele Teile können sich nicht treffen: Senkrechte Teile von \(P\) haben halbzahlige waagerechte Koordinaten, während senkrechte Teile von \(Q\) ganzzahlige waagerechte Koordinaten haben; die entsprechende Unterscheidung gilt für waagerechte Teile.
Daher ist an jedem Schnittpunkt von \(P\) und \(Q\) der Weg \(P\) senkrecht und \(Q\) waagerecht. An jedem solchen Schnittpunkt wechselt \(Q\) von der linken Seite von \(P\) auf dessen rechte Seite. Es kann höchstens einen solchen Seitenwechsel geben, denn ein zweiter würde eine zwischenzeitliche Rückkehr auf die linke Seite erfordern. Jedes Loch, das beiden gewählten Blöcken angehört, liefert einen Schnittpunkt in seinem Mittelpunkt. Dies beweist die Behauptung.
Es gibt \(hv\) Blockschnitte und \(n\) Löcher, also gilt \[ n\le hv. \] Zusammen mit (3) und der Ungleichung zwischen arithmetischem und geometrischem Mittel ergibt dies \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] Für \(n=2025\) erhalten wir daraus \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
Konstruktion, die die Schranke erreicht.
Seien \(m=45\), \(n=m^2=2025\) und \(N=m^2+1=2026\). Wir beschreiben ein Muster auf dem unendlichen Gitter und schränken es anschließend auf das Spielbrett ein.
Für jedes Paar ganzer Zahlen \((a,b)\) mit \[ b\equiv ma\pmod N, \] nehmen wir das \(m\times m\)-Quadrat, das aus den Zeilen \[ a+1,\ldots,a+m \] und den Spalten \[ b,\ldots,b+m-1 \] besteht.
Diese Quadrate überdecken jedes Einheitsquadrat \((r,c)\), für das \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] gilt, genau einmal und lassen alle anderen Einheitsquadrate unüberdeckt. Um dies zu überprüfen, betrachten wir ein Einheitsquadrat in dem durch \((a,b)\) indizierten Quadrat; für dieses gilt \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] wobei \(1\le u\le m\) und \(0\le w\le m-1\). Daher gilt \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] Die Zahlen \(mu-w\), wenn \((u,w)\) diese Bereiche durchläuft, sind genau \(1,2,\ldots,m^2\), jede genau einmal.
Somit bleibt ein Feld mit Rest \(0\) unüberdeckt. Für jedes andere Feld bestimmt sein Rest eindeutig \(u,w\) und damit eindeutig \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] Dies beweist sowohl die Überdeckung als auch die Überschneidungsfreiheit.
Wir schneiden diese Quadrate mit dem \(n\times n\)-Spielbrett und behalten nur Schnitte mit positivem Flächeninhalt bei. Jeder Schnitt ist eine zulässige rechteckige Kachel. Die Löcher sind genau die Felder, für die \[ c\equiv mr\pmod N \] gilt. Wegen \(\operatorname{ggT}(m,N)=1\) permutiert die Multiplikation mit \(m\) die von null verschiedenen Reste modulo \(N\). Daher gibt es in jeder Zeile und Spalte des Spielbretts genau ein Loch.
Es bleibt, die Kacheln zu zählen. Das durch \((a,b)\) indizierte Quadrat hat genau dann einen Schnitt mit dem Spielbrett von positivem Flächeninhalt, wenn \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] Die zulässigen Paare mit \(b\equiv ma\pmod N\) zerfallen in drei Fälle:
- Ist \(a\ge1\) und \(b\ge1\), so liefert jedes \(a=1,\ldots,n-1\) genau ein \(b\in\{1,\ldots,n\}\). Dies ergibt \(n-1\) Kacheln.
- Ist \(a<0\), so schreiben wir \(a=-k\), wobei \(1\le k\le m-1\). Der einzige zulässige Wert ist \(b=N-mk>0\), was \(m-1\) Kacheln ergibt. Tatsächlich ist der nächstkleinere kongruente Wert \(-mk<2-m\).
- Ist \(a\ge0\) und \(b\le0\), so schreiben wir \(b=-\ell\), wobei \(0\le\ell\le m-2\). Wegen \(m^2\equiv-1\pmod N\) ergibt die Kongruenz \(a\equiv m\ell\pmod N\). Ihr einziger zulässiger Wert ist \(a=m\ell\), was weitere \(m-1\) Kacheln ergibt.
Es gibt kein zulässiges Paar mit \(a=0\) und \(b>0\), also sind diese Fälle vollständig. Die Anzahl der Kacheln beträgt daher \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] Zusammen mit (4) beweist dies die Minimalität.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2025 · Soru 6
Birim karelerden oluşan bir \(2025\times2025\) satranç tahtası verilmiştir. Zehra, bu satranç tahtasının üzerine bazı dikdörtgenler yerleştiriyor. Bu dikdörtgenlerin boyutları birbirinden farklı olabilir, her dikdörtgenin her kenarı bu satranç tahtasının birim karelerinin kenarlarını oluşturan doğrular üzerinde yer alıyor, ve her birim kare en fazla bir tane dikdörtgen tarafından kaplanıyor.
Zehra’nın bu tahtayı her satırda ve her sütunda hiçbir dikdörtgen tarafından kaplanmayan tam olarak bir birim kare bulunacak şekilde kaplayabilmesi için en az kaç tane dikdörtgen kullanması gerektiğini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{2112} \]
Çözüm
Kaplanmayan birim karelere boşluk diyelim. Önce \(n\times n\) boyutlu bir tahtada koşulları sağlayan her yerleşimde en az \[ n+2\sqrt n-3 \] dikdörtgen kullanıldığını kanıtlayalım. Ardından \(n=2025=45^2\) için bu sınıra ulaşalım.
Alt sınır.
\(t\) dikdörtgen olduğunu varsayalım. \(n\) boşluğu ek \(1\times1\) dikdörtgenler olarak ele alarak bütün tahtanın \(t+n\) dikdörtgene ayrıldığı bir bölümlendirme elde edelim.
\(s\), bu bölümlendirmenin iç sınırlarının oluşturduğu maksimal doğru parçalarının toplam sayısı olsun. Sınır düz devam ettiği sürece doğru parçaları birleşme noktalarından geçerek devam eder. \(x\), dört dikdörtgenin buluştuğu iç birleşme noktalarının sayısı olsun.
\[ t+n=1+s+x \tag{1} \] olduğunu iddia ediyoruz. Gerçekten de \(u\), içteki T biçimli birleşme noktalarının sayısı, \(b\) ise tahtanın dört köşesi dışındaki sınır birleşme noktalarının sayısı olsun. Her T biçimli birleşme noktası veya sınır birleşme noktası, tam olarak bir maksimal iç doğru parçasının uç noktasıdır; dört yönlü bir birleşme noktası ise uç nokta değildir. Böylece \[ 2s=u+b \] olur. \(t+n\) dikdörtgenin köşeleri sayıldığında \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x \] elde edilir; bu da (1)'i kanıtlar. Bu sayımlar, boşlukların sınıra değdiği veya köşegen doğrultusunda birbirine temas ettiği durumlarda da geçerlidir.
Satırları aşağıdan yukarıya, sütunları soldan sağa numaralandıralım. \(r\). satırdaki boşluk bir \(p(r)\) sütununda bulunur; burada \(p\), \(1,\ldots,n\)'nin bir permütasyonudur.
Her ardışık satır çifti için, iki boşluğun ortak satır sınırı üzerindeki kenarlarının orta noktalarını birleştiren yatay bir köprü çizelim. Benzer şekilde, her ardışık sütun çifti için, iki boşluğun ortak sütun sınırı üzerindeki kenarlarının orta noktalarını birleştiren düşey bir köprü çizelim.
Başlangıçta, tam olarak bütünüyle dikdörtgen bölümlendirmesinin sınırları üzerinde bulunan köprüleri tutalım. Yatay bir köprü tutulmamışsa uç noktalarındaki boşluk kenarları farklı maksimal yatay sınır parçalarına aittir. Dolayısıyla bu yatay ızgara doğrusu böyle en az iki parça içerir. Her iç yatay ızgara doğrusu en az bir parça içerir ve benzer ifadeler düşey doğrultuda da geçerlidir. Sonuç olarak tutulmayan köprülerin sayısı en fazla \[ s-2(n-1) \] olur.
Tutulan yatay bir köprü ile tutulan düşey bir köprü kesiştiğinde kesişimleri dört yönlü bir birleşme noktasıdır: köprülerin uç noktaları kenar orta noktaları, bu tür kesişimler ise ızgara köşeleri olduğundan kesişim her iki köprünün de içindedir. Dolayısıyla bu tür kesişimlerin sayısı en fazla \(x\)'tir.
Tutulan düşey bir köprüyle kesişen her yatay köprüyü silelim. Böylece en fazla \(x\) köprü daha silinir. Artık tutulan yatay ve düşey köprüler arasında kesişim yoktur ve çıkarılan köprülerin toplam sayısı (1) kullanılarak en fazla \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] olur.
Tutulan yatay köprüler, satırları ardışık satırlardan oluşan \(h\) bloğa ayırır: ardışık iki satır aynı bloktadır ancak ve ancak aralarındaki köprü tutulmuştur. Benzer şekilde tutulan düşey köprüler, sütunları ardışık sütunlardan oluşan \(v\) bloğa ayırır. Çıkarılan köprülerin toplam sayısı \[ (h-1)+(v-1) \] olur. Böylece (2), \[ h+v\le t-n+3 \tag{3} \] verir.
Şimdi bir satır bloğu ile bir sütun bloğunun her kesişiminin en fazla bir boşluk içerdiğini gösterelim.
Sabit bir satır bloğu için bu bloktaki her boşluğun merkezinden geçen düşey birim doğru parçasını çizelim ve bu parçaları tutulan yatay köprülerle birleştirelim. Alt ve üst uçları düşey doğrultuda sonsuza kadar uzatarak bir \(P\) yolu elde edelim. Her yatay doğru \(P\) ile ya bir noktada ya da bir doğru parçası boyunca kesişir. Dolayısıyla \(P\)'nin dışındaki her noktanın onun solunda mı yoksa sağında mı bulunduğu tek anlamlı biçimde bellidir ve bu konum, \(P\) ile karşılaşmadan sürekli bir hareketle değişemez.
Sabit bir sütun bloğu için, boşluklarından geçen yatay birim doğru parçaları ve tutulan düşey köprüler aracılığıyla benzer bir \(Q\) yolu oluşturalım. Uçlarını yatay doğrultuda sonsuza kadar uzatalım ve bu yolu soldan sağa doğru izleyelim.
\(P\)'nin yatay parçaları \(Q\)'nun düşey parçalarıyla kesişemez; çünkü bunlar tutulan köprülerdir. Paralel parçalar da kesişemez: \(P\)'nin düşey parçalarının yatay koordinatları yarım tam sayı iken \(Q\)'nun düşey parçalarının yatay koordinatları tam sayıdır; yatay parçalar için de benzer bir ayrım geçerlidir.
Dolayısıyla \(P\) ve \(Q\)'nun her kesişiminde \(P\) düşey, \(Q\) yataydır. Bu tür her kesişimde \(Q\), \(P\)'nin sol tarafından sağ tarafına geçer. Böyle en fazla bir geçiş olabilir; çünkü ikincisi için arada sol tarafa geri dönülmesi gerekirdi. Seçilen her iki bloğa da ait her boşluk, merkezinde bir kesişim oluşturur. Bu, iddiayı kanıtlar.
\(hv\) blok kesişimi ve \(n\) boşluk olduğundan \[ n\le hv \] olur. Bunu (3) ve aritmetik-geometrik ortalama eşitsizliğiyle birleştirince \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n \] elde edilir. \(n=2025\) için bu, \[ t\ge2025+90-3=2112 \tag{4} \] verir.
Sınıra ulaşan bir yerleşim.
\(m=45\), \(n=m^2=2025\) ve \(N=m^2+1=2026\) olsun. Sonsuz ızgara üzerinde bir örüntü tarif edip ardından bunu tahtayla sınırlayacağız.
\[ b\equiv ma\pmod N \] koşulunu sağlayan her \((a,b)\) tam sayı çifti için, satırları \[ a+1,\ldots,a+m \] ve sütunları \[ b,\ldots,b+m-1 \] olan \(m\times m\) kareyi alalım.
Bu kareler, \[ c\not\equiv mr\pmod N \] koşulunu sağlayan her \((r,c)\) birim karesini tam olarak bir kez kaplar ve diğer bütün birim kareleri açıkta bırakır. Bunu doğrulamak için \((a,b)\) ile indekslenen karenin içindeki bir birim karenin \[ r=a+u,\qquad c=b+w \] koşulunu sağladığını gözlemleyelim; burada \(1\le u\le m\) ve \(0\le w\le m-1\)'dir. Dolayısıyla \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N \] olur. \((u,w)\) bu aralıklarda değişirken \(mu-w\) sayıları, her biri bir kez olmak üzere, tam olarak \(1,2,\ldots,m^2\) değerlerini alır.
Böylece kalanı \(0\) olan bir hücre açıkta kalır. Diğer her hücre için kalan, \(u,w\)'yi tek türlü belirler; bunlar da \[ a=r-u,\qquad b=c-w \] değerlerini tek türlü belirler. Bu, hem kaplamayı hem de örtüşme olmadığını kanıtlar.
Bu kareleri \(n\times n\) tahtayla kesiştirelim ve yalnızca alanı pozitif olan kesişimleri tutalım. Her kesişim, koşullara uygun bir dikdörtgendir. Boşluklar tam olarak \[ c\equiv mr\pmod N \] koşulunu sağlayan hücrelerdir. \(\operatorname{ebob}(m,N)=1\) olduğundan \(m\) ile çarpma, mod \(N\)'de sıfırdan farklı kalanları permüte eder. Dolayısıyla tahtanın her satırında ve her sütununda tam olarak bir boşluk vardır.
Geriye dikdörtgenleri saymak kalır. \((a,b)\) ile indekslenen karenin tahtayla kesişiminin alanı pozitiftir ancak ve ancak \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n \] olur. \(b\equiv ma\pmod N\) koşulunu sağlayan uygun çiftler üç duruma ayrılır:
- \(a\ge1\) ve \(b\ge1\) ise her \(a=1,\ldots,n-1\) için tam olarak bir \(b\in\{1,\ldots,n\}\) vardır. Bu, \(n-1\) dikdörtgen verir.
- \(a<0\) ise \(1\le k\le m-1\) olmak üzere \(a=-k\) yazalım. Uygun olan tek değer \(b=N-mk>0\)'dır ve bu, \(m-1\) dikdörtgen verir. Gerçekten de buna denk olan bir önceki daha küçük değer \(-mk<2-m\)'dir.
- \(a\ge0\) ve \(b\le0\) ise \(0\le\ell\le m-2\) olmak üzere \(b=-\ell\) yazalım. \(m^2\equiv-1\pmod N\) olduğundan denklik \(a\equiv m\ell\pmod N\) verir. Uygun olan tek değeri \(a=m\ell\)'dir ve bu da \(m-1\) dikdörtgen daha verir.
\(a=0\) ve \(b>0\) olan uygun bir çift yoktur; dolayısıyla bu durumlar bütün olasılıkları kapsar. Bu nedenle dikdörtgenlerin sayısı \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112} \] olur. (4) ile birlikte bu, minimumun bu sayı olduğunu kanıtlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2025 · Problema 6
Se considera una cuadrícula de \(2025\times2025\) cuadrados unitarios. Matilde desea colocar algunas fichas rectangulares sobre la cuadrícula, que pueden ser de tamaños distintos, de modo que cada lado de cada ficha se encuentra sobre una línea de la cuadrícula y cada cuadrado unitario está cubierto por a lo más una ficha.
Determine el número mínimo de fichas que Matilde necesita colocar de modo que cada fila y cada columna de la cuadrícula tiene exactamente un cuadrado unitario que no está cubierto por ninguna ficha.
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{2112} \]
Solución
Llamemos huecos a los cuadrados unitarios no cubiertos. Primero demostramos que, en un tablero de \(n\times n\), cualquier disposición válida utiliza al menos \[ n+2\sqrt n-3 \] fichas. Después alcanzamos esta cota cuando \(n=2025=45^2\).
Cota inferior.
Supongamos que hay \(t\) fichas. Consideremos los \(n\) huecos como rectángulos adicionales de \(1\times1\), obteniendo una partición de todo el tablero en \(t+n\) rectángulos.
Sea \(s\) el número total de segmentos rectilíneos maximales formados por las fronteras internas de esta partición. Los segmentos se prolongan a través de los puntos de unión siempre que la frontera continúe en línea recta. Sea \(x\) el número de puntos de unión interiores en los que se encuentran cuatro rectángulos.
Afirmamos que \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] En efecto, sea \(u\) el número de uniones interiores en T, y sea \(b\) el número de puntos de unión en el borde distintos de las cuatro esquinas del tablero. Cada unión en T o punto de unión en el borde es el extremo de exactamente un segmento interno maximal, mientras que una unión de cuatro rectángulos no es un extremo. Así, \[ 2s=u+b. \] Al contar las esquinas de los \(t+n\) rectángulos se obtiene \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] lo que demuestra (1). Estos recuentos también son válidos cuando los huecos tocan el borde o se encuentran diagonalmente.
Numeremos las filas de abajo hacia arriba y las columnas de izquierda a derecha. El hueco de la fila \(r\) está en alguna columna \(p(r)\), donde \(p\) es una permutación de \(1,\ldots,n\).
Para cada par de filas consecutivas, tracemos un puente horizontal que una los puntos medios de los dos lados de los huecos situados en la frontera común de las filas. Análogamente, para cada par de columnas consecutivas, tracemos un puente vertical que una los puntos medios de los dos lados de los huecos situados en la frontera común de las columnas.
Conservemos inicialmente solo aquellos puentes que estén por completo en las fronteras de la partición en rectángulos. Si un puente horizontal no se conserva, los dos lados de los huecos que contienen sus extremos pertenecen a segmentos horizontales maximales distintos de la frontera. Por tanto, esa línea horizontal de la cuadrícula contiene al menos dos de tales segmentos. Toda línea horizontal interna de la cuadrícula contiene al menos un segmento, y las afirmaciones análogas se cumplen verticalmente. Por consiguiente, el número de puentes no conservados es a lo más \[ s-2(n-1). \]
Siempre que un puente horizontal conservado interseca un puente vertical conservado, su intersección es una unión de cuatro rectángulos: está en el interior de ambos puentes, ya que los extremos de los puentes son puntos medios de lados, mientras que tales intersecciones son vértices de la cuadrícula. Por tanto, hay a lo más \(x\) de estas intersecciones.
Eliminemos todo puente horizontal conservado que interseque algún puente vertical conservado. Esto elimina a lo más \(x\) puentes adicionales. Ahora no hay intersecciones entre los puentes horizontales y verticales conservados, y el número total de puentes omitidos es a lo más \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] usando (1).
Los puentes horizontales conservados dividen las filas en \(h\) bloques consecutivos: dos filas consecutivas pertenecen al mismo bloque exactamente cuando su puente se ha conservado. Análogamente, los puentes verticales conservados dividen las columnas en \(v\) bloques consecutivos. El número total de puentes omitidos es \[ (h-1)+(v-1). \] Así, (2) da \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
A continuación mostramos que cada intersección de un bloque de filas y un bloque de columnas contiene a lo más un hueco.
Para un bloque de filas fijo, tracemos el segmento vertical unitario que pasa por el centro de cada hueco de ese bloque, y unamos estos segmentos mediante los puentes horizontales conservados. Prolonguemos verticalmente los extremos inferior y superior hasta el infinito, obteniendo un camino \(P\). Toda recta horizontal interseca \(P\) en un punto o en un segmento. Así, todo punto fuera de \(P\) está inequívocamente a su izquierda o a su derecha, y esta posición relativa no puede cambiar de manera continua sin encontrarse con \(P\).
Para un bloque de columnas fijo, construyamos el camino análogo \(Q\) a partir de los segmentos horizontales unitarios que pasan por sus huecos y de los puentes verticales conservados. Prolonguemos sus extremos horizontalmente hasta el infinito, y recorrámoslo de izquierda a derecha.
Las partes horizontales de \(P\) no pueden intersecar las partes verticales de \(Q\), porque estas son puentes conservados. Tampoco pueden encontrarse las partes paralelas: las partes verticales de \(P\) tienen coordenadas horizontales semienteras, mientras que las partes verticales de \(Q\) tienen coordenadas horizontales enteras; la distinción análoga se cumple para las partes horizontales.
Por tanto, en toda intersección de \(P\) y \(Q\), \(P\) es vertical y \(Q\) es horizontal. En cada una de estas intersecciones, \(Q\) cruza del lado izquierdo de \(P\) a su lado derecho. Puede haber a lo más un cruce de este tipo, ya que un segundo requeriría un regreso intermedio al lado izquierdo. Todo hueco que pertenece a ambos bloques elegidos aporta una intersección en su centro. Esto demuestra la afirmación.
Hay \(hv\) intersecciones de bloques y \(n\) huecos, de modo que \[ n\le hv. \] Combinando esto con (3) y con la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica, se obtiene \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] Para \(n=2025\), esto da \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
Construcción que alcanza la cota.
Sean \(m=45\), \(n=m^2=2025\) y \(N=m^2+1=2026\). Describimos un patrón en la cuadrícula infinita y después lo restringimos al tablero.
Para cada par de enteros \((a,b)\) que satisface \[ b\equiv ma\pmod N, \] tomemos el cuadrado de \(m\times m\) formado por las filas \[ a+1,\ldots,a+m \] y las columnas \[ b,\ldots,b+m-1. \]
Estos cuadrados cubren exactamente una vez cada cuadrado unitario \((r,c)\) para el que \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] y dejan sin cubrir todos los demás cuadrados unitarios. Para verificarlo, un cuadrado unitario del cuadrado indexado por \((a,b)\) tiene \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] donde \(1\le u\le m\) y \(0\le w\le m-1\). Por tanto, \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] Los números \(mu-w\), cuando \((u,w)\) recorre estos rangos, son precisamente \(1,2,\ldots,m^2\), cada uno una vez.
Así, una casilla con residuo \(0\) queda sin cubrir. Para cualquier otra casilla, su residuo determina de manera única \(u,w\), y luego determina de manera única \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] Esto demuestra tanto el recubrimiento como la ausencia de solapamientos.
Intersequemos estos cuadrados con el tablero de \(n\times n\), conservando solo las intersecciones de área positiva. Cada intersección es una ficha rectangular válida. Los huecos son precisamente las casillas que satisfacen \[ c\equiv mr\pmod N. \] Como \(\operatorname{mcd}(m,N)=1\), la multiplicación por \(m\) permuta los residuos no nulos módulo \(N\). Por tanto, hay exactamente un hueco en cada fila y en cada columna del tablero.
Queda contar las fichas. El cuadrado indexado por \((a,b)\) tiene una intersección de área positiva con el tablero exactamente cuando \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] Los pares admisibles que satisfacen \(b\equiv ma\pmod N\) se dividen en tres casos:
- Si \(a\ge1\) y \(b\ge1\), cada \(a=1,\ldots,n-1\) da exactamente un \(b\in\{1,\ldots,n\}\). Esto da \(n-1\) fichas.
- Si \(a<0\), escribamos \(a=-k\), donde \(1\le k\le m-1\). El único valor admisible es \(b=N-mk>0\), lo que da \(m-1\) fichas. En efecto, el siguiente valor congruente menor es \(-mk<2-m\).
- Si \(a\ge0\) y \(b\le0\), escribamos \(b=-\ell\), donde \(0\le\ell\le m-2\). Como \(m^2\equiv-1\pmod N\), la congruencia da \(a\equiv m\ell\pmod N\). Su único valor admisible es \(a=m\ell\), lo que da otras \(m-1\) fichas.
No hay ningún par admisible con \(a=0\) y \(b>0\), de modo que estos casos son exhaustivos. Por tanto, el número de fichas es \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] Junto con (4), esto demuestra la minimalidad.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2025 · 问题 6
在一个由单位方格组成的 \(2025\times2025\) 方格表上放置若干(可能大小不同的)长方形瓷砖,使得每片瓷砖的边界都在方格表的网格线上,且每个单位方格至多被一片瓷砖覆盖。
若要使得方格表中每行与每列都恰有一个单位方格没有被瓷砖覆盖,求长方形瓷砖数量的最小可能值。
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{2112} \]
解答
将未被覆盖的单位方格称为空格。我们先证明,在一个 \(n\times n\) 方格表上,任何符合要求的铺法都至少使用 \[ n+2\sqrt n-3 \] 片瓷砖。然后,我们在 \(n=2025=45^2\) 时达到这个下界。
下界。
假设有 \(t\) 片瓷砖。将这 \(n\) 个空格视为另外的 \(1\times1\) 长方形,就得到将整个方格表分割成 \(t+n\) 个长方形的分割。
设 \(s\) 为这一分割的内部边界所形成的极大直线段的总数。在交点处,只要边界沿直线继续延伸,就仍视为同一条线段。设 \(x\) 为四个长方形相交的内部交点的个数。
我们断言 \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] 事实上,设 \(u\) 为内部 T 形交点的个数,\(b\) 为方格表边界上除四个顶点以外的交点的个数。每个 T 形交点或边界交点都恰好是一条极大内部线段的端点,而四向交点不是端点。因此 \[ 2s=u+b. \] 计算这 \(t+n\) 个长方形的顶点总数,得 \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] 从而证明了 (1)。当空格接触方格表边界或仅在对角处相接时,这些计数同样适用。
将行从下到上编号,将列从左到右编号。第 \(r\) 行的空格位于某一列 \(p(r)\),其中 \(p\) 是 \(1,\ldots,n\) 的一个排列。
对于每一对相邻行,画一条水平的桥,连接这两行中空格位于两行公共边界上的两条边的中点。同样,对于每一对相邻列,画一条竖直的桥,连接这两列中空格位于两列公共边界上的两条边的中点。
最初,只保留完全位于长方形分割边界上的桥。如果一条水平桥未被保留,那么它的两个端点所在的空格边分别属于不同的极大水平边界线段。因此,这条水平网格线上至少有两条这样的线段。每条内部水平网格线上至少有一条线段,竖直方向也有相应结论。因此,未被保留的桥的条数至多为 \[ s-2(n-1). \]
每当一条保留的水平桥与一条保留的竖直桥相交时,它们的交点都是一个四向交点:它位于两条桥的内部,因为桥的端点是边的中点,而这样的交点是网格顶点。因此,这样的交点至多有 \(x\) 个。
删去每一条与保留的竖直桥相交的保留水平桥。这至多再删去 \(x\) 条桥。此时,保留的水平桥与竖直桥之间不再有交点,且未保留的桥的总条数至多为 \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] 其中使用了 (1)。
保留的水平桥将各行分成 \(h\) 个由连续行组成的行块:两相邻行属于同一块,当且仅当它们之间的桥被保留。同样,保留的竖直桥将各列分成 \(v\) 个由连续列组成的列块。未保留的桥的总条数为 \[ (h-1)+(v-1). \] 因此,由 (2) 得 \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
接下来证明,每个行块与每个列块的交集至多包含一个空格。
固定一个行块,过该块中每个空格的中心画一条竖直的单位线段,并用保留的水平桥将这些线段连接起来。将最下端和最上端竖直延伸至无穷远,得到一条路径 \(P\)。每条水平线与 \(P\) 的交集或者是一个点,或者是一条线段。因此,\(P\) 之外的每个点都明确地位于它的左侧或右侧,而且在连续移动过程中,不经过 \(P\) 就无法从一侧变到另一侧。
固定一个列块,用经过其空格的水平单位线段和保留的竖直桥,类似地构造路径 \(Q\)。将它的两端水平延伸至无穷远,并沿它从左向右行进。
\(P\) 的水平部分不可能与 \(Q\) 的竖直部分相交,因为它们都是保留的桥。平行的部分也不可能相交:\(P\) 的竖直部分的横坐标是半整数,而 \(Q\) 的竖直部分的横坐标是整数;对于水平部分,也有类似的区别。
因此,在 \(P\) 与 \(Q\) 的每个交点处,\(P\) 都是竖直的,而 \(Q\) 都是水平的。在每个这样的交点处,\(Q\) 都从 \(P\) 的左侧穿到右侧。这样的穿越至多发生一次,因为若发生第二次,中间就必须先返回左侧。每个同时属于所选两个块的空格,都在其中心处贡献一个交点。断言得证。
共有 \(hv\) 个块的交集和 \(n\) 个空格,所以 \[ n\le hv. \] 将此式与 (3) 以及算术–几何平均值不等式结合,得到 \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] 当 \(n=2025\) 时,这给出 \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
达到下界的构造。
令 \(m=45\)、\(n=m^2=2025\),并令 \(N=m^2+1=2026\)。我们先描述无限网格上的一种排列方式,再将它限制在方格表内。
对于每一对满足 \[ b\equiv ma\pmod N, \] 的整数 \((a,b)\),取由第 \[ a+1,\ldots,a+m \] 行及第 \[ b,\ldots,b+m-1. \] 列组成的 \(m\times m\) 正方形。
这些正方形将每个满足 \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] 的单位方格 \((r,c)\) 恰好覆盖一次,而其余所有单位方格均未被覆盖。为验证这一点,注意到以 \((a,b)\) 为指标的正方形中的一个单位方格满足 \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] 其中 \(1\le u\le m\),\(0\le w\le m-1\)。因此 \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] 当 \((u,w)\) 遍历这些范围时,\(mu-w\) 的值恰好为 \(1,2,\ldots,m^2\),每个出现一次。
因此,余数为 \(0\) 的方格未被覆盖。对于任何其他方格,其余数唯一确定 \(u,w\),进而唯一确定 \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] 这同时证明了覆盖性与互不重叠性。
将这些正方形与 \(n\times n\) 方格表取交集,只保留面积为正的交集。每个交集都是一片符合要求的长方形瓷砖。空格恰好是满足 \[ c\equiv mr\pmod N. \] 的方格。由于 \(\gcd(m,N)=1\),乘以 \(m\) 在模 \(N\) 的非零剩余类上给出一个置换。因此,方格表的每行和每列都恰好有一个空格。
只需再计算瓷砖的数量。以 \((a,b)\) 为指标的正方形与方格表的交集面积为正,当且仅当 \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] 满足 \(b\equiv ma\pmod N\) 的符合要求的整数对分为以下三种情形:
- 如果 \(a\ge1\) 且 \(b\ge1\),则每个 \(a=1,\ldots,n-1\) 都恰好对应一个 \(b\in\{1,\ldots,n\}\)。这给出 \(n-1\) 片瓷砖。
- 如果 \(a<0\),写成 \(a=-k\),其中 \(1\le k\le m-1\)。唯一符合要求的值为 \(b=N-mk>0\),这给出 \(m-1\) 片瓷砖。事实上,比它小的下一个同余值为 \(-mk<2-m\)。
- 如果 \(a\ge0\) 且 \(b\le0\),写成 \(b=-\ell\),其中 \(0\le\ell\le m-2\)。由于 \(m^2\equiv-1\pmod N\),该同余式给出 \(a\equiv m\ell\pmod N\)。唯一符合要求的值为 \(a=m\ell\),这又给出 \(m-1\) 片瓷砖。
不存在满足 \(a=0\) 且 \(b>0\) 的符合要求的整数对,因此这些情形已经穷尽所有可能。于是瓷砖的数量为 \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] 结合 (4),这就证明了其最小性。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2025 · Задача 6
Рассмотрим сетку размером \(2025\times2025\) из единичных квадратов. Матильда хочет разместить на сетке несколько прямоугольных плиток, возможно, разных размеров, так, чтобы стороны каждой плитки лежали на линиях сетки, а каждый единичный квадрат был покрыт не более одной плиткой.
Определите минимальное количество плиток, которые Матильде нужно разместить так, чтобы в каждой строке и каждом столбце сетки был ровно один единичный квадрат, не покрытый ни одной плиткой.
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{2112} \]
Решение
Назовём непокрытые единичные квадраты дырками. Сначала докажем, что на доске \(n\times n\) любое допустимое расположение использует не менее \[ n+2\sqrt n-3 \] плиток. Затем достигнем этой оценки при \(n=2025=45^2\).
Нижняя оценка.
Пусть имеется \(t\) плиток. Будем рассматривать \(n\) дырок как дополнительные прямоугольники \(1\times1\), получая разбиение всей доски на \(t+n\) прямоугольников.
Пусть \(s\) — общее число максимальных прямолинейных отрезков, образованных внутренними границами этого разбиения. Отрезки продолжаются через точки стыка, если граница продолжается по прямой. Пусть \(x\) — число внутренних точек стыка, в которых сходятся четыре прямоугольника.
Утверждается, что \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] Действительно, пусть \(u\) — число внутренних Т-образных стыков, а \(b\) — число точек стыка на границе доски, кроме её четырёх углов. Каждый Т-образный стык или стык на границе является концом ровно одного максимального внутреннего отрезка, тогда как стык четырёх прямоугольников не является концом ни одного такого отрезка. Таким образом, \[ 2s=u+b. \] Подсчитывая углы \(t+n\) прямоугольников, получаем \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] что доказывает (1). Эти подсчёты справедливы и тогда, когда дырки касаются границы или соприкасаются по диагонали.
Пронумеруем строки снизу вверх, а столбцы слева направо. Дырка в строке \(r\) находится в некотором столбце \(p(r)\), где \(p\) — перестановка чисел \(1,\ldots,n\).
Для каждой пары соседних строк проведём горизонтальный мост, соединяющий середины двух сторон дырок, лежащих на общей границе этих строк. Аналогично для каждой пары соседних столбцов проведём вертикальный мост, соединяющий середины двух сторон дырок на общей границе этих столбцов.
Сначала сохраним в точности те мосты, которые целиком лежат на границах прямоугольного разбиения. Если горизонтальный мост не сохранён, то стороны дырок, содержащие его концы, принадлежат разным максимальным горизонтальным отрезкам границы. Поэтому на этой горизонтальной линии сетки лежит по крайней мере два таких отрезка. Каждая внутренняя горизонтальная линия сетки содержит хотя бы один отрезок, и аналогичные утверждения справедливы для вертикальных линий. Следовательно, число несохранённых мостов не превосходит \[ s-2(n-1). \]
Если сохранённый горизонтальный мост пересекает сохранённый вертикальный мост, то их пересечение является стыком четырёх прямоугольников: оно лежит внутри обоих мостов, поскольку концы мостов — середины сторон, а такие пересечения — узлы сетки. Поэтому таких пересечений не более \(x\).
Удалим каждый сохранённый горизонтальный мост, пересекающий какой-либо сохранённый вертикальный мост. При этом удаляется ещё не более \(x\) мостов. Теперь сохранённые горизонтальные и вертикальные мосты не пересекаются, а общее число отсутствующих мостов не превосходит \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] где использовано (1).
Сохранённые горизонтальные мосты разбивают строки на \(h\) блоков последовательных строк: две соседние строки принадлежат одному блоку тогда и только тогда, когда мост между ними сохранён. Аналогично сохранённые вертикальные мосты разбивают столбцы на \(v\) блоков последовательных столбцов. Общее число отсутствующих мостов равно \[ (h-1)+(v-1). \] Таким образом, из (2) следует \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
Теперь покажем, что каждое пересечение блока строк и блока столбцов содержит не более одной дырки.
Для фиксированного блока строк проведём вертикальный единичный отрезок через центр каждой дырки этого блока и соединим эти отрезки сохранёнными горизонтальными мостами. Продолжим нижний и верхний концы вертикально до бесконечности, получая путь \(P\). Каждая горизонтальная прямая пересекает \(P\) либо в одной точке, либо по одному отрезку. Поэтому каждая точка вне \(P\) однозначно находится слева или справа от него, и при непрерывном движении эта сторона не может измениться без пересечения \(P\).
Для фиксированного блока столбцов построим аналогичный путь \(Q\) из горизонтальных единичных отрезков, проходящих через его дырки, и сохранённых вертикальных мостов. Продолжим его концы горизонтально до бесконечности и будем проходить его слева направо.
Горизонтальные части \(P\) не могут пересекать вертикальные части \(Q\), поскольку это сохранённые мосты. Параллельные части тоже не могут пересекаться: вертикальные части \(P\) имеют полуцелые горизонтальные координаты, а вертикальные части \(Q\) — целые горизонтальные координаты; аналогичное различие имеет место для горизонтальных частей.
Поэтому в каждом пересечении \(P\) и \(Q\) путь \(P\) вертикален, а \(Q\) горизонтален. В каждом таком пересечении \(Q\) переходит с левой стороны \(P\) на правую. Такое пересечение может быть не более чем одно, поскольку для второго потребовалось бы между ними вернуться на левую сторону. Каждая дырка, принадлежащая обоим выбранным блокам, даёт пересечение в своём центре. Утверждение доказано.
Всего имеется \(hv\) пересечений блоков и \(n\) дырок, поэтому \[ n\le hv. \] Объединяя это с (3) и неравенством между средним арифметическим и средним геометрическим, получаем \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] При \(n=2025\) отсюда следует \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
Конструкция, достигающая оценки.
Пусть \(m=45\), \(n=m^2=2025\) и \(N=m^2+1=2026\). Опишем расположение на бесконечной сетке, а затем ограничим его доской.
Для каждой пары целых чисел \((a,b)\), удовлетворяющей \[ b\equiv ma\pmod N, \] возьмём квадрат \(m\times m\), состоящий из строк \[ a+1,\ldots,a+m \] и столбцов \[ b,\ldots,b+m-1. \]
Эти квадраты покрывают ровно один раз каждый единичный квадрат \((r,c)\), для которого \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] и оставляют все остальные единичные квадраты непокрытыми. Чтобы это проверить, заметим, что для единичного квадрата, лежащего в квадрате с индексом \((a,b)\), имеем \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] где \(1\le u\le m\) и \(0\le w\le m-1\). Поэтому \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] Числа \(mu-w\), когда \((u,w)\) пробегает указанные диапазоны, — это в точности числа \(1,2,\ldots,m^2\), каждое по одному разу.
Таким образом, клетка с остатком \(0\) не покрыта. Для любой другой клетки её остаток однозначно определяет \(u,w\), а затем однозначно определяет \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] Это доказывает как покрытие, так и отсутствие наложений.
Пересечём эти квадраты с доской \(n\times n\), оставив только пересечения положительной площади. Каждое пересечение является допустимой прямоугольной плиткой. Дырками являются в точности клетки, удовлетворяющие \[ c\equiv mr\pmod N. \] Поскольку \(\operatorname{НОД}(m,N)=1\), умножение на \(m\) переставляет ненулевые остатки по модулю \(N\). Следовательно, в каждой строке и каждом столбце доски находится ровно одна дырка.
Остаётся подсчитать плитки. Квадрат с индексом \((a,b)\) пересекает доску по области положительной площади тогда и только тогда, когда \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] Допустимые пары, удовлетворяющие \(b\equiv ma\pmod N\), разбиваются на три случая:
- Если \(a\ge1\) и \(b\ge1\), то каждому \(a=1,\ldots,n-1\) соответствует ровно одно \(b\in\{1,\ldots,n\}\). Это даёт \(n-1\) плиток.
- Если \(a<0\), запишем \(a=-k\), где \(1\le k\le m-1\). Единственное допустимое значение — \(b=N-mk>0\), что даёт \(m-1\) плиток. Действительно, следующее меньшее число с тем же остатком равно \(-mk<2-m\).
- Если \(a\ge0\) и \(b\le0\), запишем \(b=-\ell\), где \(0\le\ell\le m-2\). Поскольку \(m^2\equiv-1\pmod N\), из сравнения получаем \(a\equiv m\ell\pmod N\). Его единственное допустимое значение — \(a=m\ell\), что даёт ещё \(m-1\) плиток.
Допустимой пары с \(a=0\) и \(b>0\) нет, поэтому эти случаи исчерпывают все возможности. Следовательно, число плиток равно \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] Вместе с (4) это доказывает минимальность.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2025 · المسألة 6
لدينا شبكة مربعات \(2025\times2025\) مكوّنة من مربعات الوحدة. ترغب ماتيلدا في وضع بعض البلاطات المستطيلة على الشبكة، قد تكون بمقاسات مختلفة، بحيث يكون كل ضلع من أضلاع كل بلاطة يقع على خطوط الشبكة، ولا يُغطّى أي مربع وحدة بأكثر من بلاطة واحدة.
حدد أقل عدد ممكن من البلاطات التي تحتاج ماتيلدا لوضعها حتى يحتوي كل صف وكل عمود من الشبكة على مربع وحدة واحد فقط غير مغطى بأي بلاطة.
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{2112} \]
الحل
نسمّي مربعات الوحدة غير المغطاة ثقوباً. نثبت أولاً أن أي ترتيب مستوفٍ للشروط على لوحة \(n\times n\) يستخدم على الأقل \[ n+2\sqrt n-3 \] بلاطة. ثم نحقق هذا الحد عندما \(n=2025=45^2\).
الحد السفلي.
لنفترض أن هناك \(t\) بلاطة. نعتبر الثقوب الـ \(n\) مستطيلات إضافية أبعادها \(1\times1\)، فنحصل على تقسيم للوحة بأكملها إلى \(t+n\) مستطيلاً.
ليكن \(s\) العدد الكلي للقطع المستقيمة القصوى التي تشكلها الحدود الداخلية لهذا التقسيم. تستمر القطع عبر نقاط الالتقاء كلما استمرت الحدود على استقامة واحدة. وليكن \(x\) عدد نقاط الالتقاء الداخلية التي تلتقي عندها أربعة مستطيلات.
ندّعي أن \[ t+n=1+s+x. \tag{1} \] بالفعل، ليكن \(u\) عدد نقاط الالتقاء الداخلية على شكل حرف T، وليكن \(b\) عدد نقاط الالتقاء على حدود اللوحة عدا زواياها الأربع. كل نقطة التقاء على شكل حرف T أو على حدود اللوحة هي نهاية قطعة داخلية قصوى واحدة بالضبط، بينما لا تكون نقطة التقاء رباعية نهايةً لأي قطعة. إذن \[ 2s=u+b. \] وبعدّ زوايا المستطيلات الـ \(t+n\) نحصل على \[ 4(t+n)=4+2u+2b+4x, \] وهذا يثبت (1). ويصح هذا العدّ أيضاً عندما تلامس الثقوب حدود اللوحة أو تلتقي عند زواياها.
نرقّم الصفوف من الأسفل إلى الأعلى والأعمدة من اليسار إلى اليمين. يقع الثقب في الصف \(r\) في عمود ما \(p(r)\)، حيث \(p\) تبديل للأعداد \(1,\ldots,n\).
لكل زوج من الصفوف المتتالية، نرسم جسراً أفقياً يصل بين منتصفَي ضلعي الثقبين الواقعين على الحد المشترك بين الصفين. وبالمثل، لكل زوج من الأعمدة المتتالية، نرسم جسراً رأسياً يصل بين منتصفَي ضلعي الثقبين الواقعين على الحد المشترك بين العمودين.
نحتفظ في البداية بالجسور التي تقع بكاملها على حدود تقسيم المستطيلات، دون غيرها. إذا لم نحتفظ بجسر أفقي، فإن ضلعي الثقبين اللذين تقع عليهما نهايتاه ينتميان إلى قطعتين أفقيتين قصويين مختلفتين من الحدود. ومن ثم يحتوي خط الشبكة الأفقي ذاك على قطعتين من هذا النوع على الأقل. وكل خط أفقي داخلي من خطوط الشبكة يحتوي على قطعة واحدة على الأقل، وتصح العبارات المناظرة رأسياً. وعليه، فإن عدد الجسور التي لم نحتفظ بها لا يتجاوز \[ s-2(n-1). \]
كلما تقاطع جسر أفقي محتفظ به مع جسر رأسي محتفظ به، كانت نقطة تقاطعهما نقطة التقاء رباعية: فهي تقع داخل كلا الجسرين، لأن نهايات الجسور هي منتصفات أضلاع، بينما تقع هذه التقاطعات عند رؤوس الشبكة. ولذلك يوجد على الأكثر \(x\) من هذه التقاطعات.
نحذف كل جسر أفقي محتفظ به يتقاطع مع جسر رأسي محتفظ به. يحذف هذا على الأكثر \(x\) جسور إضافية. لا توجد الآن تقاطعات بين الجسور الأفقية والرأسية المحتفظ بها، والعدد الكلي للجسور المحذوفة لا يتجاوز \[ s-2(n-1)+x=t-n+1, \tag{2} \] باستخدام (1).
تقسّم الجسور الأفقية المحتفظ بها الصفوف إلى \(h\) كتل متتالية: ينتمي صفان متتاليان إلى الكتلة نفسها إذا وفقط إذا احتفظنا بالجسر بينهما. وبالمثل، تقسّم الجسور الرأسية المحتفظ بها الأعمدة إلى \(v\) كتل متتالية. العدد الكلي للجسور المحذوفة هو \[ (h-1)+(v-1). \] إذن تعطينا (2) \[ h+v\le t-n+3. \tag{3} \]
نثبت بعد ذلك أن كل تقاطع بين كتلة صفوف وكتلة أعمدة يحتوي على ثقب واحد على الأكثر.
لكتلة صفوف ثابتة، نرسم قطعة رأسية طولها وحدة تمر بمركز كل ثقب في تلك الكتلة، ونصل هذه القطع باستخدام الجسور الأفقية المحتفظ بها. نمد الطرفين السفلي والعلوي رأسياً إلى ما لا نهاية، فنحصل على مسار \(P\). يلتقي كل مستقيم أفقي \(P\) في نقطة واحدة أو قطعة واحدة. ومن ثم تقع كل نقطة خارج \(P\) على يساره أو على يمينه على نحو محدد، ولا يمكن أن يتغير هذا الجانب بحركة متصلة دون لقاء \(P\).
لكتلة أعمدة ثابتة، ننشئ المسار المناظر \(Q\) من قطع أفقية طولها وحدة تمر بثقوبها ومن الجسور الرأسية المحتفظ بها. نمد طرفيه أفقياً إلى ما لا نهاية، ونسلكه من اليسار إلى اليمين.
لا يمكن للأجزاء الأفقية من \(P\) أن تتقاطع مع الأجزاء الرأسية من \(Q\)، لأنها جسور محتفظ بها. ولا يمكن للأجزاء المتوازية أن تلتقي أيضاً: للأجزاء الرأسية من \(P\) إحداثيات أفقية نصف صحيحة، بينما للأجزاء الرأسية من \(Q\) إحداثيات أفقية صحيحة؛ وينطبق التمييز المناظر على الأجزاء الأفقية.
لذلك، عند كل تقاطع بين \(P\) و \(Q\)، يكون \(P\) رأسياً و \(Q\) أفقياً. وعند كل تقاطع كهذا، يعبر \(Q\) من الجانب الأيسر لـ \(P\) إلى جانبه الأيمن. ولا يمكن أن يوجد أكثر من عبور واحد كهذا، لأن عبوراً ثانياً يستلزم عودةً إلى الجانب الأيسر بين العبورين. وكل ثقب ينتمي إلى كلتا الكتلتين المختارتين يساهم بتقاطع عند مركزه. وهذا يثبت الادعاء.
يوجد \(hv\) تقاطعاً للكتل و \(n\) ثقباً، لذا \[ n\le hv. \] بضم هذا إلى (3) ومتباينة المتوسطين الحسابي والهندسي نحصل على \[ t-n+3\ge h+v\ge2\sqrt{hv}\ge2\sqrt n. \] عندما \(n=2025\)، يعطينا هذا \[ t\ge2025+90-3=2112. \tag{4} \]
إنشاء يحقق الحد.
لتكن \(m=45\)، و \(n=m^2=2025\)، و \(N=m^2+1=2026\). نصف نمطاً على الشبكة اللانهائية، ثم نقصره على اللوحة.
لكل زوج من الأعداد الصحيحة \((a,b)\) يحقق \[ b\equiv ma\pmod N, \] نأخذ المربع ذا الأبعاد \(m\times m\) المكوّن من الصفوف \[ a+1,\ldots,a+m \] والأعمدة \[ b,\ldots,b+m-1. \]
تغطي هذه المربعات مرة واحدة بالضبط كل مربع وحدة \((r,c)\) يحقق \[ c\not\equiv mr\pmod N, \] وتترك جميع مربعات الوحدة الأخرى غير مغطاة. للتحقق من ذلك، فإن مربع وحدة في المربع المفهرس بـ \((a,b)\) يحقق \[ r=a+u,\qquad c=b+w, \] حيث \(1\le u\le m\) و \(0\le w\le m-1\). ومن ثم \[ mr-c\equiv mu-w\pmod N. \] الأعداد \(mu-w\)، عندما تتغير \((u,w)\) في هذين المجالين، هي بالضبط \(1,2,\ldots,m^2\)، كل منها مرة واحدة.
إذن الخلية ذات الباقي \(0\) غير مغطاة. ولكل خلية أخرى، يحدد باقيها \(u,w\) تحديداً وحيداً، ثم يحدد تحديداً وحيداً \[ a=r-u,\qquad b=c-w. \] وهذا يثبت كلاً من التغطية وعدم التداخل.
نأخذ تقاطعات هذه المربعات مع اللوحة ذات الأبعاد \(n\times n\)، ونحتفظ فقط بالتقاطعات ذات المساحة الموجبة. كل تقاطع هو بلاطة مستطيلة مستوفية للشروط. والثقوب هي بالضبط الخلايا التي تحقق \[ c\equiv mr\pmod N. \] بما أن \(\gcd(m,N)=1\)، فإن الضرب في \(m\) يبدّل البواقي غير الصفرية بترديد \(N\). ولذلك يوجد ثقب واحد بالضبط في كل صف وكل عمود من اللوحة.
يبقى أن نعدّ البلاطات. يلتقي المربع المفهرس بـ \((a,b)\) اللوحة في مساحة موجبة إذا وفقط إذا كان \[ 1-m\le a\le n-1, \qquad 2-m\le b\le n. \] تنقسم الأزواج المقبولة التي تحقق \(b\equiv ma\pmod N\) إلى ثلاث حالات:
- إذا كان \(a\ge1\) و \(b\ge1\)، فإن كل \(a=1,\ldots,n-1\) يعطي قيمة واحدة بالضبط \(b\in\{1,\ldots,n\}\). وهذا يعطي \(n-1\) بلاطة.
- إذا كان \(a<0\)، نكتب \(a=-k\)، حيث \(1\le k\le m-1\). القيمة المقبولة الوحيدة هي \(b=N-mk>0\)، مما يعطي \(m-1\) بلاطة. بالفعل، القيمة الموافقة الأصغر التالية هي \(-mk<2-m\).
- إذا كان \(a\ge0\) و \(b\le0\)، نكتب \(b=-\ell\)، حيث \(0\le\ell\le m-2\). وبما أن \(m^2\equiv-1\pmod N\)، فإن التطابق يعطي \(a\equiv m\ell\pmod N\). وقيمته المقبولة الوحيدة هي \(a=m\ell\)، مما يعطي \(m-1\) بلاطة أخرى.
لا يوجد زوج مقبول يحقق \(a=0\) و \(b>0\)، لذا فإن هذه الحالات شاملة. ولذلك فإن عدد البلاطات هو \[ (n-1)+(m-1)+(m-1) =n+2m-3 =2025+90-3 =\boxed{2112}. \] وبالاقتران مع (4)، يثبت هذا أن العدد هو الأصغر الممكن.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.