Maths Olympiad Prep

Library / /34 of 44

Geometry Difficulty 6.6 National olympiad Prove it Russia

The numbers 1,2,,100001, 2, \ldots, 10000 are placed into the cells of a square grid 100×100100 \times 100 (each number appears exactly once) so that every two numbers which differ by 11 are placed into two cells sharing a common side. Consider the 50005000 pairs of cells containing the numbers that differ by 50005000. For each pair, calculate the distance between the centers of its cells. Let SS be the minimum of these distances. Find the maximal possible value of SS.

В клетки квадрата 100×100100 \times 100 расставили числа 1,2,,100001, 2, \ldots, 10000, каждое — по одному разу; при этом числа, различающиеся на 11, записаны в соседних по стороне клетках. После этого посчитали расстояния между центрами каждого двух клеток, числа в которых различаются ровно на 50005000. Пусть SS — минимальное из этих расстояний. Какое наибольшее значение может принимать SS?

Solution

Ответ. 50250\sqrt{2}.

Пронумеруем в квадрате строки (снизу вверх) и столбцы (слева направо) числами от 11 до 100100; будем обозначать клетку парой номеров ее строки и столбца. Назовем расстоянием между клетками расстояние между их центрами. Клетки назовем парными, если числа в них различаются на 50005000.

Заметим, что расстояние от клетки (50,50)(50, 50) до любой другой (в частности, до парной ей) не превосходит 502+502=502\sqrt{50^2 + 50^2} = 50\sqrt{2}. Значит, и минимальное расстояние между парными клетками также не превосходит 50250\sqrt{2}. Осталось привести пример, когда этот минимум достигается.

Разобьем наш квадрат на четыре квадрата 50×5050 \times 50. Расставим числа 1125002500 согласно правилам в левом нижнем квадрате так, чтобы число 11 стояло в клетке (1,1)(1, 1), а число 25002500 — в клетке (50,1)(50, 1) (это возможно; например, первые 5050 чисел в первом столбце, вторые — во втором и т.д.). Далее, если число a[1,2500]a \in [1, 2500] стоит в клетке (i,k)(i, k), то поставим числа a+2500a+2500, a+5000a+5000 и a+7500a+7500 соответственно в клетки (k+50,i)(k+50, i), (k+50,i+50)(k+50, i+50) и (51i,101k)(51-i, 101-k). Нетрудно видеть, что при этом числа по-прежнему расставлены согласно правилам (для соседних чисел в одном квадрате это очевидно; для чисел 2500250025012501, 5000500050015001 и 7500750075017501 проверяется непосредственно).

Осталось проверить, что расстояния между парными клетками не меньше 50250\sqrt{2}. Рассмотрим отрезок между любыми парными клетками. Сумма его горизонтальной и вертикальной проекций равна либо (50+ki)+(50+ik)=100(50+k-i)+(50+i-k) = 100, либо (k+5051+i)+(101ki)=100(k+50-51+i)+(101-k-i) = 100, то есть она всегда равна 100100. Значит, квадрат длины этого отрезка равен x2+(100x)2=2(x50)2+50005000=(502)2x^2 + (100-x)^2 = 2(x-50)^2 + 5000 \ge 5000 = (50\sqrt{2})^2, что и требовалось.

Замечание. Предъявленный пример не единственен.

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.