Maths Olympiad Prep

Library / /23 of 26

Combinatorics Difficulty 7.6 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Given a square grid n×nn \times n (n4n \ge 4). Initially each of nn cells of one diagonal contains a sign “+” while each other cell contains a sign “-”. By one move it is allowed to choose a row or a column and replace each sign “-” by “+”, and vice versa. Prove that at any moment the number of signs “+” is not less than nn. (R. Karasev)

В клетчатой таблице n×nn \times n (n4n \ge 4) поставлены nn знаков «+» в клетках одной диагонали и знаки «-» во всех остальных клетках. Разрешается в некоторой строке или в некотором столбце поменять все знаки на противоположные. Докажите, что после любого количества таких операций в таблице останется не менее nn плюсов. (Р. Карасёев)

Solution

Первое решение. Пронумеруем строки числами 1,,n1, \dots, n сверху вниз, а столбцы — теми же числами слева направо. Клетку будем обозначать парой номеров её строки и столбца; при этом будем считать, что клетки диагонали из плюсов имеют координаты (i,i)(i, i) (i=1,,n)(i = 1, \dots, n).
Заметим, что если четыре клетки лежат в вершинах прямоугольника со сторонами, параллельными осям координат, то любая операция либо не меняет знаков в этих клетках, либо меняет знаки ровно в двух клетках из четырёх. В частности, чётность количества плюсов в этих четырёх клетках не меняется; значит, если среди них вначале был ровно один плюс, то и потом их будет не менее одного.
Теперь выберем в нашей таблице nn непересекающихся таких четвёрок; по сказанному выборе, после любых операций в каждой из них найдётся как минимум один плюс, следовательно, всего плюсов будет не менее nn. При i=1,2,,n2i = 1, 2, \dots, n-2 выберем четвёрку клеток {(i,i),(i,i+1),(i+2,i),(i+2,i+1)}\{(i, i), (i, i+1), (i+2, i), (i+2, i+1)\}, а также выберем четвёрки {(n1,n1),(n1,n),(1,n1),(1,n)}\{(n-1, n-1), (n-1, n), (1, n-1), (1, n)\} и {(n,n),(n,1),(2,n),(2,1)}\{(n, n), (n, 1), (2, n), (2, 1)\}. Легко видеть, что они удовлетворяют всем требованиям. На рис. 21 отмечены такие четвёрки при n=5n=5.

Figure 1

Второе решение. Заметим, что знак, стоящий в клетке, изменяется ровно тогда, когда с этой клеткой было проделано нечётное число операций. Пусть есть ровно rr строк и ровно cc столбцов, к каждому из которых операция применялась нечётное число раз (назовём их нечётными). Тогда знак изменился ровно в r(nc)r(n-c) клетках, стоящих на пересечении нечётных строк с чётными столбцами, и в c(nr)c(n-r) клетках, стоящих на пересечении чётных строк с нечётными столбцами. Теперь нетрудно понять, что, если бы мы вместо исходных операций применили бы по одной операции ровно ко всем чётным строкам и столбцам, результат получился бы тем же самым, но при этом числа rr и cc заменились бы на nrn-r и ncn-c соответственно. Значит, можно считать, что r+cnr+c \le n.
Далее, среди изменённых r(nc)+c(nr)r(n-c)+c(n-r) знаков не более, чем r+cr+c были плюсами (максимум по одному в rr строках, и максимум по одному в cc столбцах); значит, хотя бы r(nc)+c(nr)(r+c)r(n-c)+c(n-r)-(r+c) минусов стали плюсами, и хотя бы n(r+c)n-(r+c) плюсов остались плюсами. Таким образом, общее количество плюсов PP стало не меньше, чем r(nc)+c(nr)(r+c)+n(r+c)=2rc+(r+c)(n2)+nr(n-c)+c(n-r)-(r+c)+n-(r+c) = -2rc + (r+c)(n-2) + n. Теперь, поскольку 2rc(r+c)222rc \le \frac{(r+c)^2}{2}, получаем P(r+c)(n2)(r+c)22+n=(r+c)(n2r+c2)+nnP \ge (r+c)(n-2) - \frac{(r+c)^2}{2} + n = (r+c)(n-2 - \frac{r+c}{2}) + n \ge n (ибо n2r+c2n2n20n-2 - \frac{r+c}{2} \ge n-2-\frac{n}{2} \ge 0), что и требовалось доказать.

Третье решение. Как и в предыдущем решении, разобьём строки и столбцы на чётные и нечётные и заметим, что если все чётные линии сделать нечётными и наоборот, то результат не изменится.
Предположим противное: количество плюсов стало меньше nn. Тогда найдётся строка (пусть её номер равен ii), в которой все знаки стали минусами. По замечанию выше, можно считать, что эта строка чётна. Тогда ii-й столбец нечётен, а все остальные столбцы чётны (иначе в пересечении такого столбца с нашей строкой стоял бы «+»). Пусть jij \ne i. Тогда нетрудно понять, что в jj-й строке знаки на ii-м и jj-м местах одинаковы, а знаки на всех остальных местах (их n22n-2 \ge 2) от них отличаются. Значит, в этой строке хотя бы два плюса и хотя бы два минуса. Таким образом, общее количество плюсов не меньше 2(n1)>n2(n-1) > n, что противоречит нашему предположению.

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.