Maths Olympiad Prep

Library / /25 of 25

Combinatorics Difficulty 7.6 National olympiad, round 2 Prove it Russia

A prestidigitator and his assistant have a deck of cards; back sides of all the cards look identical, the front side of each card is painted in one of 20172017 colors (there are 10000001000000 cards of each color in the deck). They want to perform the following trick. The prestidigitator goes out of the room. The spectators put nn cards facing front in a row onto the table. The assistant looks at them and turns all the cards except one facing back side (he does not change the order of the cards). Finally, the prestidigitator comes in, stares at the table, and guesses the color of one of the cards facing back. Find the least value of nn for which the prestidigitator and the assistant can agree on their actions in advance so that they will do the trick for sure.
(I. Bogdanov, K. Knop)

У фокусника и его помощника есть колода карт; рубашки всех карт выглядят одинаково, а лицевая сторона каждой карты окрашена в один из 20172017 цветов (в колоде по 10000001000000 карт каждого цвета). Они хотят проделать следующий фокус. Фокусник выходит из комнаты. Зрители выкладывают на стол в ряд nn карт лицом вверх. Помощник смотрит на них и переворачивает все карты, кроме одной, рубашкой вверх (он не меняет порядок карт). Наконец, фокусник возвращается, смотрит на стол и угадывает цвет одной из карт, лежащих рубашкой вверх. Найдите наименьшее значение nn, при котором фокусник и помощник могут заранее договориться о своих действиях так, чтобы фокус всегда удавался.

Solutions — 2

Solution 1

Answer: n=2018n = 2018.

Set k=2017k = 2017. If n=k+1n = k + 1, the assistant merely encodes the color of the last card by choosing which of the others remains open.

Assume that knk \ge n. A strategy of the prestidigitator and the assistant may be expressed as a set of instructions of the form (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j) meaning that a prestidigitator seeing color aa at position ii claims color bb at position jj. One may assume that all pairs (a,i)(a, i) are distinct. A counting argument shows that k=nk = n, there are n2n^2 instructions, and each two instructions cover disjoint sets of arrangements.

Consider a graph on positions as vertices, an edge connects two positions participating in an instruction. Then each two edges have a common vertex, so all edges have a common vertex (say, 11). Each position i>1i > 1, put into correspondence all colors aa such that there exists an instruction of the form (c,i)(a,1)(c, i) \to (a, 1). Notice that different positions correspond to different colors; so some position corresponds to one color aa only. But then there exists an instruction (a,1)(c,i)(a, 1) \to (c, i) for some cc, which cannot exist simultaneously with (c,i)(a,1)(c, i) \to (a, 1).

Solution 2

Ответ: n=2018n = 2018.

Положим k=2017k = 2017.
При n=k+1n = k+1 фокус устроить легко. Фокусник и помощник нумеруют цвета числами от 11 до kk. Помощник, видя цвет последней, (k+1)(k+1)-й карты (пусть его номер равен aa), оставляет открытой aa-ю карту. Фокусник, увидев, какая по номеру карта открыта, восстанавливает цвет последней карты.

Осталось показать, что при nkn \le k фокус не удастся. Предположим противное и рассмотрим возможные действия фокусника. Пусть, видя на ii-м месте карту цвета aa, он объявляет, что на jj-м месте карта цвета bb (тогда iji \ne j); будем называть это инструкцией (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j). Можно считать, что для каждой пары (a,i)(a, i) существует только одна инструкция вида (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j) (и фокусник при возможности всегда применяет её — поскольку никакой информации о том, какую из таких инструкций применять, у него нет). Тогда инструкций не больше, чем knkn.

Будем говорить, что исходная раскладка карт удовлетворяет инструкции (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j), если в ней на ii-м и jj-м местах лежат карты цветов aa и bb соответственно. Тогда каждой инструкции удовлетворяет ровно kn2k^{n-2} раскладок. С другой стороны, если фокус гарантированно удается, то каждая возможная раскладка удовлетворяет хотя бы одной инструкции — той, которую применяют помощник с фокусником. Значит, общее число раскладок не может превосходить knkn2kn \cdot k^{n-2}, то есть knkn1k^n \le k^{n-1}, откуда knk \le n. Значит, k=nk = n, и неравенство выше обращается в равенство. Это значит, что каждая раскладка удовлетворяет ровно одной инструкции, и с каждой пары (a,i)(a, i) начинается ровно одна инструкция.

Рассмотрим произвольную инструкцию (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j); тогда и инструкция вида (b,j)(c,k)(b, j) \to (c, k). Поскольку не существует раскладки, удовлетворяющей обеим инструкциям, должны выполняться условия i=ki = k и aca \ne c.

С другой стороны, для любых двух инструкций (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j) и (c,k)(d,l)(c, k) \to (d, l) среди номеров i,j,k,li, j, k, l должны быть совпадающие — иначе опять же существует раскладка, удовлетворяющая обеим инструкциям. Рассмотрим граф с вершинами 1,2,,k1, 2, \dots, k, в котором ii и jj соединены ребром [i,j][i, j], если существует инструкция вида (a,i)(b,j)(a, i) \to (b, j) (по показанному выше, существует также и инструкция вида (b,j)(a,i)(b, j) \to (a', i)). Тогда любые два ребра в этом графе имеют общую вершину, и из каждой вершины выходит хотя бы одно ребро. Пусть для определённости [1,2][1, 2] — ребро этого графа. Из вершины 33 выходит ребро, имеющее общую вершину с первым — пусть для определённости это [1,3][1, 3]. Тогда любое ребро из вершины k>3k > 3 обязано иметь вид [1,k][1, k], чтобы иметь общие вершины с каждым из ребер [1,2][1, 2] и [1,3][1, 3]. Наконец, любое ребро вообще должно иметь общую вершину с каждым из ребер [1,2][1, 2], [1,3][1, 3] и [1,4][1, 4], то есть должно содержать вершину 11. Итак, в каждой инструкции один из номеров мест равен 11.

Наконец, сопоставим каждому месту i>1i > 1 все такие цвета aa, что существует инструкция вида (c,i)(a,1)(c, i) \to (a, 1). Из сказанного выше следует, что разным местам не может быть сопоставлен один и тот же цвет. Поскольку таких мест k1k-1, а цветов k<2(k1)k < 2(k-1), какому-то месту ii сопоставлен только один цвет aa, то есть имеются все kk инструкций вида (c,i)(a,1)(c, i) \to (a, 1) при всевозможных aa. Однако существует также инструкция вида (a,1)(c,i)(a, 1) \to (c, i) для некоторого cc. Но она не может существовать вместе с инструкцией (c,i)(a,1)(c, i) \to (a, 1); противоречие.

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.