Maths Olympiad Prep

Library / /5 of 7

Combinatorics Difficulty 6.5 National olympiad Prove it Russia

In Leonardland, each road has one-way movement, connects two cities and does not pass through another city. The Statistics Department calculated for each city AA the total number f(A)f(A) of citizens in the cities, to which the roads from AA lead, and the total number g(A)g(A) of citizens in the cities, from which the roads lead to AA. Prove that there exists a city AA with f(A)g(A)f(A) \ge g(A).

Solution

Первое решение. Построим граф, вершины которого соответствуют жителям страны, причем две вершины соединены направлённым ребром в том и только том случае, когда их города соединены дорогой (направление на ребре будет такое же, как и на дороге между городами). Для каждой вершины vv обозначим через f(v)f(v) разность количества ребер, входящих в vv, и количества ребер, выходящих из vv. Сумма величин f(v)f(v) по всем вершинам графа равна 00, так как каждое ребро вносит в нее одну +1+1 и одну 1-1. Значит, найдется такая вершина uu, что f(u)0f(u) \ge 0. Остается лишь отметить, что f(u)f(u) в точности равна разности первого и второго чисел для города, в котором живет uu.

Второе решение. Для каждого города AA обозначим через n(A)n(A) число жителей в этом городе, а через f(A)f(A) разность суммарного количества жителей в городах, дороги из которых выходят в AA, и суммарного количества жителей в городах, в которые выходят дороги из AA (то есть в точности разность первого и второго чисел для города AA). Если утверждение задачи неверно, то f(A)<0f(A) < 0 для каждого города AA.
Обозначим через SS сумму чисел n(A)f(A)n(A)f(A) по всем городам страны. С одной стороны, S<0S < 0 как сумма нескольких отрицательных чисел. С другой стороны, рассмотрим любую дорогу из AA в BB. В число n(B)f(B)n(B)f(B) эта дорога «вносит вклад» +n(B)n(A)+n(B)n(A), а в число n(A)f(A)n(A)f(A) — «вклад» n(A)n(B)-n(A)n(B). Рассмотрев все дороги, получим, что S=0S = 0. Противоречие.

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.