Maths Olympiad Prep

Library / /48 of 57

Combinatorics Difficulty 7.3 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Each cell of a 2016×20162016 \times 2016 table is painted either in white or in black. We say that a positive integer kk is lucky if k2016k \le 2016, and each of cellular k×kk \times k squares within the table contains exactly kk black cells. (For example, if all the cells are black, then only the number 1 is lucky.) Determine the greatest possible amount of lucky numbers. (E. Bakaev)

В белой таблице 2016×20162016 \times 2016 некоторые клетки окрасили чёрным. Назовём натуральное число kk удачным, если k2016k \le 2016, и в каждом из клетчатых квадратов со стороной kk, расположенных в таблице, окрашено ровно kk клеток. (Например, если все клетки чёрные, то удачным является только число 1.) Какое наибольшее количество чисел могут быть удачными?

Solution

Let aa and bb be lucky. If b2ab \ge 2a, then a b×bb \times b square contains [b/a]2[b/a]^2 squares of size a×aa \times a, so at least [b/a]2a>b[b/a]^2 \cdot a > b black cells. This is impossible. Thus, the ratio of any two lucky numbers is less than 22, which yields that there are at most 10081008 of them.

An example is provided by a white table with one of the two middle rows painted in black.

Рассмотрим произвольное окрашивание таблицы. Пусть нашлось хотя бы два удачных числа, и aa — наименьшее из них, а bb — наибольшее.

Поделим bb на aa с остатком: b=qa+rb = qa + r, где 0r<a0 \le r < a. Предположим, что q2q \ge 2. В произвольном квадрате b×bb \times b можно расположить q2q^2 пересекающихся квадратов a×aa \times a. В этих квадратах будет ровно q2aq^2 a чёрных клеток. Однако q2a>(q+1)a>qa+r=bq^2 a > (q+1)a > qa + r = b; значит, в квадрате b×bb \times b будет больше, чем bb чёрных клеток, что невозможно. Итак, q<2q < 2, то есть b<2ab < 2a.

Общее количество удачных чисел не превосходит количества натуральных чисел от aa до bb, то есть оно не больше ba+1<bb/2+1=b/2+11009b - a + 1 < b - b/2 + 1 = b/2 + 1 \le 1009. Значит, это количество не больше 10081008.

Осталось привести пример раскраски, для которой найдутся 10081008 удачных чисел. Окрасим чёрным все клетки 10081008-й строки и только их. Рассмотрим произвольный квадрат со стороной d1009d \ge 1009. Он пересекается с 10081008-ой строкой, значит в нём есть целая строка отмеченных клеток, то есть их как раз dd штук. Значит, все числа от 10091009 до 20162016 являются удачными, и таких чисел как раз 10081008.

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.