Maths Olympiad Prep

Library / /43 of 46

Combinatorics Difficulty 7.6 National olympiad, round 2 Prove it Russia

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 00 до 4949. Понятно, что цвет наперстка, под которым лежит монетка, не изменяется, а номер либо не изменяется, либо уменьшается на 11 по модулю 5050.

Покажем, как найти монетку за 3333 хода. Описывая алгоритм, предполагаем, что монетка не обнаружена на всех ходах вплоть до 3333-го (в противном случае все уже сделано менее чем за 3333 хода).

Первым ходом поднимем черные наперстки с номерами 00, 11, 22, 33. Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками 00, 11, 22. Вторым ходом поднимем черные наперстки 33, 44, 55, 66. Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками 00, 11, ..., 55. Действуем так далее: при s=1,2,...,16s = 1, 2, ..., 16 ходом номер ss поднимем черные наперстки с номерами 3s33s - 3, 3s23s - 2, 3s13s - 1, 3s3s. Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под черными наперстками 00, 11, ..., 3s13s - 1.

Семнадцатым ходом поднимем черные наперстки 4848 и 4949, а также белые наперстки 4949 и 00. Теперь мы знаем, что под черными наперстками нет монетки, а также что после перемещения монетка не сможет оказаться под белым наперстком 4949. При s=1,2,...,15s = 1, 2, ..., 15 ходом номер 17+s17 + s поднимем белые наперстки 3s33s - 3, 3s23s - 2, 3s13s - 1, 3s3s. Тогда после перемещения монетка не сможет оказаться под белыми наперстками 4949, 00, 11, ..., 3s13s - 1. Наконец, последним 3333-м ходом поднимаем белые наперстки 4545, 4646, 4747, 4848; под одним из них обязана быть монетка.

Докажем, что с гарантией обнаружить монету за 3232 хода невозможно. Обозначим через BkB_k множество из четырех наперстков, поднимаемых на kk-м ходе, а через AkA_k — множество наперстков, про которые перед выполнением kk-го хода (после возможного перемещения монетки на (k1)(k-1)-м ходе) точно известно, что под ними нет монетки. Предполагаем, что пока возможно, под наперстками из BkB_k нет монетки.

Ясно, что Ak+1AkBkA_{k+1} \subset A_k \cup B_k при k=1,2,...,n1k = 1, 2, ..., n-1, откуда Ak+1Ak+4|A_{k+1}| \le |A_k| + 4. Более того, если множество AkBkA_k \cup B_k не совпадает с множеством всех наперстков или с множеством из 5050 наперстков одного цвета, то найдется такая пара одноцветных наперстков PP и QQ с номерами rr и r+1r+1 (mod 5050) соответственно, что PAkBkP \in A_k \cup B_k, а QAkBkQ \notin A_k \cup B_k. Тогда, если перед kk-м ходом монетка находилась под наперстком QQ, то она может переместиться под PP, поэтому PAk+1P \notin A_{k+1}. В этом случае Ak+1AkBkA_{k+1} \neq A_k \cup B_k, и, следовательно, Ak+1Ak+3|A_{k+1}| \leq |A_k| + 3. Итак, Ak+1Ak+3|A_{k+1}| \leq |A_k| + 3, если Ak+150|A_{k+1}| \neq 50.

Имеем: A1=0|A_1| = 0, A23|A_2| \leq 3, A36|A_3| \leq 6, ..., A1748|A_{17}| \leq 48, A1851|A_{18}| \leq 51, A1954|A_{19}| \leq 54, ..., A3293|A_{32}| \leq 93. Получается, что перед 3232-м ходом имеется по крайней мере 77 наперстков, под которыми может быть монета, следовательно, обнаружить монету с гарантией на 3232-м ходу или ранее не удастся.

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.