100 thimbles are arranged on a circle. A token is placed under one of the thimbles. By one turn, a player can pick up arbitrary four thimbles and check whether a token is under one of them. After that, the thimbles return to their places, and the token moves to one of the two neighboring thimbles. Find the least number of turns needed to find the token for sure. (B. Trushin)
Solution
Ответ. За 33 хода.
После каждого нашего хода и перемещения монетки будем поворачивать все наперстки (вместе с монеткой) по ходу часовой стрелки на одну позицию. Тогда будем считать, что после каждого хода монетка либо остается на месте, либо перемещается на две позиции по часовой стрелке, а наперстки остаются на своих местах.
Покрасим все наперстки поочередно в белый и черный цвет, и пронумеруем наперстки каждого цвета по порядку против часовой стрелки числами от до . Понятно, что цвет наперстка, под которым лежит монетка, не изменяется, а номер либо не изменяется, либо уменьшается на по модулю .
Покажем, как найти монетку за хода. Описывая алгоритм, предполагаем, что монетка не обнаружена на всех ходах вплоть до -го (в противном случае все уже сделано менее чем за хода).
Первым ходом поднимем черные наперстки с номерами , , , . Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками , , . Вторым ходом поднимем черные наперстки , , , . Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками , , ..., . Действуем так далее: при ходом номер поднимем черные наперстки с номерами , , , . Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками , , ..., .
Семнадцатым ходом поднимем черные наперстки и , а также белые наперстки и . Теперь мы знаем, что под черными наперстками нет монетки, а также что после перемещения монетка не сможет оказаться под белым наперстком . При ходом номер поднимем белые наперстки , , , . Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под белыми наперстками , , , ..., . Наконец, последним -м ходом поднимаем белые наперстки , , , ; под одним из них обязана быть монетка.
Докажем, что с гарантией обнаружить монету за хода невозможно. Обозначим через множество из четырех наперстков, поднимаемых на -м ходе, а через — множество наперстков, про которые перед выполнением -го хода (после возможного перемещения монетки на -м ходе) точно известно, что под ними нет монетки. Предполагаем, что пока возможно, под наперстками из нет монетки.
Ясно, что при , откуда . Более того, если множество не совпадает с множеством всех наперстков или с множеством из наперстков одного цвета, то найдется такая пара одноцветных наперстков и с номерами и (mod ) соответственно, что , а . Тогда, если перед -м ходом монетка находилась под наперстком , то она может переместиться под , поэтому . В этом случае , и, следовательно, . Итак, , если .
Имеем: , , , ..., , , , ..., . Получается, что перед -м ходом имеется по крайней мере наперстков, под которыми может быть монета, следовательно, обнаружить монету с гарантией на -м ходу или ранее не удастся.