Maths Olympiad Prep

Library / /50 of 57

Combinatorics Difficulty 7.5 National olympiad, round 2 Prove it Russia

From a paper checkered square of size 100×100100 \times 100, one has cut out along the grid lines 1950 rectangles, each consisting of two cells. Prove that one may cut out from the remaining pieces a TT-tetramino (□) — perhaps, rotated. (If such figure exists among the remaining pieces, we assume that it can be cut out.) (S. Berlov)

Из клетчатого бумажного квадрата 100×100100 \times 100 вырезали по границам клеток 1950 двуклеточных прямоугольников. Докажите, что из оставшейся части можно вырезать по границам клеток четырёхклеточную фигурку вида [図], — возможно, повёрнутую. (Если такая фигурка уже есть среди оставшихся частей, считается, что её получилось вырезать.) (С. Берлов)

Solution

Hint 1. Assume that the dominoes are being cut out one by one. At each moment, define the price of a remaining cell as the number of its neighbors which are still not cut out, decreased by 2. Initially, the total price of all cells is 19600, and at each step it decreases by at most 10. Thus, at the end there still exists a cell with positive price; this cell is a central cell of a required TT-tetramino.

Hint 2. Divide the initial square into regions as shown on Fig. 13. In this partition, either some TT-tetramino remains, or some cross loses at most one cell (which cannot be the central cell of the cross).

Первое решение.

Представим себе, что доминошки (прямоугольники 1×21 \times 2) ещё не вырезаны, и будем вырезать их по одной. В каждый момент процесса назовём ценой ещё не вырезанной клетки число её невырезанных соседей по стороне, уменьшенное на 2 (например, цена неугловой клетки, лежащей на границе квадрата, изначально равна 1). Тогда исходная цена каждой клетки есть 2t2 - t, где tt — количество отрезков периметра квадрата, находящихся на границе этой клетки. Значит, исходная суммарная цена всех клеток равна 21002400=196002 \cdot 100^2 - 400 = 19600.

Проследим, как изменяется суммарная цена SS всех невырезанных клеток после вырезания доминошки. При этом выкидываются две клетки (сумма цен которых не превосходит 2+2=42+2=4), а также уменьшаются на 1 цены клеток, граничащих с доминошкой (которых не больше шести). Поэтому после вырезания доминошки SS уменьшается не более, чем на 10.

Итак, после вырезания 1950 доминошек SS станет не меньше, чем 19600195010=10019600 - 1950 \cdot 10 = 100. Значит, найдётся невырезанная клетка kk, цена которой положительна. Это значит, что у kk не менее трёх невырезанных соседей. Тогда kk вместе с этими тремя соседями образует требуемую фигурку.

Второе решение.

Назовём требуемую фигурку TT-тетрамино.

Мысленно разобьём наш квадрат на фигурки (см. рис. 13). Нетрудно подсчитать, что вне «полных» крестов окажется ровно 4100=4004 \cdot 100 = 400 клеток, из которых 320 будут находиться в TT-тетрамино разбиения. Итого, в разбиении есть (1002400)/5=1920(100^2 - 400)/5 = 1920 полных крестов и ещё 80 TT-тетрамино.

Рассмотрим теперь, куда попадают клетки вырезанных доминошек. Предположим, что из каждого полного креста было вырезано хотя бы по две клетки, а из каждого TT-тетрамино разбиения — хотя бы одна. Тогда общее число вырезанных клеток было бы не меньше, чем 19202+80=219601920 \cdot 2 + 80 = 2 \cdot 1960, что неверно.

Значит, либо из некоторого TT-тетрамино не вырезано ни одной клетки, либо из некоторого креста вырезано не более одной клетки. В первом случае мы уже нашли TT-тетрамино, которое можно вырезать. Во втором же случае, если из креста и вырезана одна клетка, то она не может быть центральной (иначе вторая клетка той же доминошки также лежала бы в кресте). Значит, даже если клетка креста вырезана, остаток его как раз и является TT-тетрамино. В обоих случаях мы добились требуемого.

Figure 1
Рис. 13

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.