Maths Olympiad Prep

Library / /132 of 152

Combinatorics Difficulty 7.4 National Olympiad, round 2 Prove it Russia

In a country, there are nn cities, and every two of them are connected with a non-stop train operating in both directions. The ticket price for each train in both directions is the same, but for any two different trains these prices are different. Prove that a traveler may start from some city and take n1n-1 trains consecutively so that the price of every ticket will be less than the price of the previous one. (A traveler may pass through a certain city several times.)

Solution

Первое решение. Уберём все экспресслы, а затем начнём запускать их обратно по одному в порядке возрастания цены (т. е. первым запустим самый дешёвый, вторым — самый дешёвый из остальных, и т. д.). В каждый момент в каждом городе будем писать максимальное количество экспрессов, на которых можно последовательно проехать, начав из этого города, так, чтобы цены проезда монотонно убывали.
В начальный момент все числа в городах равны нулю. Пусть в некоторый момент мы вводим экспресс, соединяющий города AA и BB, в которых до этого были написаны числа aa и bb соответственно. После введения нового экспресса в AA будет число, не меньше b+1b + 1 (ибо теперь из AA можно проехать новым экспрессом в BB, а затем по маршруту длины bb, начинавшемуся из BB). Аналогично, в BB будет написано число, не меньшее a+1a + 1. Поэтому сумма чисел в AA и BB увеличится хотя бы на 22, а числа в остальных городах не уменьшатся. Значит, и сумма всех чисел в городах увеличится хотя бы на 22.

Таким образом, когда все n(n1)/2n(n-1)/2 экспрессов будут введены, сумма чисел в городах станет не меньше, чем 2n(n1)/2=n(n1)2 \cdot n(n-1)/2 = n(n-1). Значит, хотя бы в одном городе будет число, не меньшее n1n-1. Это и означает наличие требуемого маршрута из этого города.

Второе решение. Разделим каждый экспресс, курсирующий между AA и BB, на два — идущий из AA в BB, и идущий из BB в AA. Получились n(n1)n(n-1) полуэкспрессов. Мы построим nn выделенных маршрутов (по одному, начинающемуся в каждом городе) так, чтобы цена поездки на каждом монотонно убывала, и каждый полуэкспресс содержался бы хотя бы в одном выделенном маршруте. Тогда один из выделенных маршрутов будет содержать не менее n1n-1 полуэкспресса, что и требовалось.

Выделенный маршрут, начинающийся в городе AA, выглядит так. Пусть A0=AA_0 = A. Рассмотрим все полуэкспрессы A0XA_0X, выходящие из A0A_0, и выберем из них полуэкспресс A0A1A_0A_1 максимальной цены a1a_1. Затем рассмотрим все полуэкспрессы A1YA_1Y, выходящие из A1A_1, цена которых меньше a1a_1; если такие есть, выберем из них полуэкспресс A1A2A_1A_2 максимальной цены a2a_2, и т.д. Маршрут заканчивается полуэкспрессом Ak1AkA_{k-1}A_k, если из AkA_k не выходит полуэкспрессов с ценой, меньшей aka_k.

Осталось показать, что каждый полуэкспресс BCBC попадёт хотя бы в один из выделенных маршрутов. Положим B1=BB_1 = B, B0=CB_0 = C, и пусть b1b_1 — цена BCBC. Рассмотрим все полуэкспрессы XB1XB_1, ведущие в B1B_1, с ценой, большей b1b_1. Если такие есть, то выберем из них полуэкспресс B2B1B_2B_1 наименьшей цены b2b_2. Далее рассмотрим все полуэкспрессы YB2YB_2, ведущие в B2B_2, с ценой, большей b2b_2. Выберем из них полуэкспресс B3B2B_3B_2 наименьшей цены b3b_3, и т.д. Этот процесс выбора закончится, когда при некотором kk полуэкспресс BkBk1B_kB_{k-1} — это полуэкспресс максимальной цены, выходящий из BkB_k. Тогда, согласно нашему построению, выделенный маршрут, выходящий из BkB_k, последовательно пройдёт через Bk1,,B1,B0B_{k-1}, \dots, B_1, B_0, то есть будет содержать экспресс BCBC, что и требовалось.

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 reproduced verbatim; metadata (topic, difficulty) added by this project.