Maths Olympiad Prep

Library / /53 of 61

Algebra Difficulty 6.8 National olympiad Prove it Ukraine

On the coordinate lines points with coordinates 1,2,,2n1, 2, \ldots, 2n are marked, where n>3n > 3 is a given integer. A flee starts jumping from the point with coordinate 11 and after 2n2n jumps returns there having visited all marked points. It is known that the total length of all jumps except the last one is n(2n1)n(2n - 1). Find the length of the last flee's jump.

Solution

Нехай блоха послідовно побувала в точках:
a1=1, a2, , a2n. a_1 = 1, \ a_2, \ \dots, \ a_{2n}.
Сума довжин усіх стрибків становить:
S=a1a2+a2a3++a2n1a2n+a2na1. S = |a_1 - a_2| + |a_2 - a_3| + \dots + |a_{2n-1} - a_{2n}| + |a_{2n} - a_1|.

Зрозуміло, що
S2(2n+2n1++n+2+n+1)2(n+n1++2+1)=2n2,S \le 2(2n + 2n - 1 + \dots + n + 2 + n + 1) - 2(n + n - 1 + \dots + 2 + 1) = 2n^2,
а оскільки за умовою a1a2+a2a3++a2n1a2n=n(2n1)|a_1 - a_2| + |a_2 - a_3| + \dots + |a_{2n-1} - a_{2n}| = n(2n - 1), то довжина останнього стрибка a2na1|a_{2n} - a_1| не перевищує nn.
Оскільки a1=1a_1 = 1, то a2nn+1a_{2n} \le n + 1. Доведемо, що a2n=n+1a_{2n} = n + 1, тобто довжина останнього стрибка дорівнює nn. Припустимо, що a2nna_{2n} \le n. Тоді в послідовності (1) знайдуться два сусідні члени aia_i та ai+1a_{i+1}, кожний з яких більший за nn. Справді, якщо це не так, то в послідовності (2.1) між nn елементами, більшими за nn, містяться принаймні n1n-1 менших за nn елементів, а разом з a1=1a_1 = 1 та a2nna_{2n} \le n у (2.1) знайдуться n+1n+1 елементів, менших за nn, що неможливо. Отже, у послідовності (2.1) знайдуться два сусідні члени aia_i та ai+1a_{i+1}, кожний із яких більший за nn. Перебудуємо послідовність стрибків блохи:
a1,a2,,ai,a2n,a2n1,,ai+1.a_1, a_2, \dots, a_i, a_{2n}, a_{2n-1}, \dots, a_{i+1}.
Для нової послідовності сума стрибків дорівнює
S=a1a2++aia2n+a2na2n1++ai+1a1==n(2n1)aiai+1+aia2n+ai+112n2. \begin{aligned} S' &= |a_1 - a_2| + \dots + |a_i - a_{2n}| + |a_{2n} - a_{2n-1}| + \dots + |a_{i+1} - a_1| = \\ &= n(2n-1) - |a_i - a_{i+1}| + |a_i - a_{2n}| + |a_{i+1} - 1| \le 2n^2. \end{aligned}
Проте 1a2nn<ai<ai+11 \le a_{2n} \le n < a_i < a_{i+1} або 1a2nn<ai+1<ai1 \le a_{2n} \le n < a_{i+1} < a_i, і тому неважко перевірити, що aia2n+ai+11aiai+1>n|a_i - a_{2n}| + |a_{i+1} - 1| - |a_i - a_{i+1}| > n, звідки S>2n2S' > 2n^2. Маємо суперечність.
Відповідь: Довжина останнього стрибка дорівнює nn.

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.