Olympiad Maths Prep

Library / /3 of 4

Geometry Difficulty 6.7 National olympiad Prove it Bulgaria

Изпъкнал 2009-ъгълник е разбит на триъгълници чрез непресичащи се диагонали. Един от тези диагонали е оцветен в зелено. Разрешена е следната операция: за два триъгълника *ABC* и *BCD* от разбиването с обща страна BCBC можем да заменим диагонала BCBC с диагонала ADAD, като, ако замененият диагонал е бил зелен, той губи цвета си и заменилият го диагонал става зелен. Да се докаже, че всеки предварително избран диагонал на 2009-ъгълника може да бъде оцветен в зелено чрез прилагане на разрешената операция краен брой пъти.

Solution

Първо ще докажем, че за даден връх на изпъкналия 2009-ъгълник и всяка триангулация, с прилагане на разрешената операция можем да получим триангулацията, получена от прекарването на всички диагонали през този връх. За произволен връх AA, движейки се обратно на часовниковата стрелка, да означим с B1,B2,,BkB_1, B_2, \dots, B_k последователните върхове, за които ABiAB_i е страна на дадения многоъгълник или диагонал в дадената триангулация. Ако отсечката BiBi+1B_iB_{i+1} не е страна, тя е диагонал и след извършване на разрешената операция, ще получим нова триангулация от която излизащите от AA диагонали са с един повече. Продължавайки по този начин ще получим триангулация с диагонали само от върха AA.

Ще докажем по индукция по n4n \ge 4, че твърдението е вярно за произволен изпъкнал nn-ъгълник. При n=4,5n = 4, 5 твърдението се проверява директно. Да допуснем, че твърдението е вярно за някое k5k \ge 5 и да разгледаме триангулация на изпъкнал (k+1)(k+1)-ъгълник. Без ограничение приемаме, че избрания диагонал е A1AiA_1A_i. Съгласно доказаното, от дадената триангулация можем да получим триангулацията, получена с прекарването на всички диагонали през A1A_1. Ако при това A1AiA_1A_i е станал зелен, задачата е решена. Нека зелен е станал диагонала A1AjA_1A_j, като без ограничение считаме, че j<ij < i. От индукционото допускане следва, че в многоъгълника A1A2...AiA_1A_2...A_i можем да получим триангулация, в която диагоналът A1Ai1A_1A_{i-1} е зелен. Тъй като k5k \ge 5 и всяка триангулация на (k+1)(k+1)-ъгълник съдържа k2k-2 диагонала, то в триангулацията освен диагоналите A1Ai1A_1A_{i-1} и A1AiA_1A_i има поне още един диагонал. Този диагонал разделя (k+1)(k+1)-ъгълника на два изпъкнали многоъгълника, всеки с по-малко от k+1k+1 върха, като диагоналите A1Ai1A_1A_{i-1} и A1AiA_1A_i са в един от двата многоъгълника. Остава да приложим индукционното допускане за този многоъгълник.

Looking for a route rather than 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.