Maths Olympiad Prep

Library / /42 of 44

Combinatorics Difficulty 7.0 National olympiad, round 2 Prove it Russia

In a square grid n×nn \times n, a set consisting of all cells lying on or under its main diagonal is called an nn-staircase (4-staircase is shown in the figure). Find the number of ways to partition an nn-staircase into several grid rectangles with pairwise distinct areas. (D. Khramtsov)

Figure 1

Назовём лестницей высоты nn фигурую, состоящую из всех клеток квадрата n×nn×n, лежащих не выше диагонали (на рисунке показана лестница высоты 4). Сколькими различными способами можно разбить лестницу высоты nn на несколько прямоугольников, стороны которых идут по линиям сетки, а площади попарно различны?

Figure 2

Solution

Ответ. 2n12^{n-1}.

Отметим в каждом столбце лестницы по одной верхней клетке; назовём их объединение верхним слоем. Никакие две из nn клеток этого слоя не могут лежать в одном прямоугольнике разбиения, поэтому в любом разбиении лестницы не менее nn прямоугольников. С другой стороны, минимальная суммарная площадь nn прямоугольников с различными площадями равна 1+2++n1 + 2 + \ldots + n, что совпадает с площадью всей лестницы. Значит, число прямоугольников в любом разбиении равно nn, их площади выражаются числами 1,2,,n1, 2, \ldots, n, и каждый из них сохранит клетку верхнего слоя.

Покажем индукцией по nn, что число требуемых разбиений лестницы высоты nn равно 2n12^{n-1}. База индукции при n=1n = 1 очевидна. Пусть утверждение индукции справедливо для лестницы высоты n1n - 1; рассмотрим разрезание лестницы высоты nn на прямоугольники площадей 1,2,,n1, 2, \ldots, n.

Рассмотрим прямоугольник, покрывающий угловую (наиболее далекую от верхнего слоя) клетку лестницы. Он содержит клетку верхнего слоя, то есть сумма длин его сторон aa и bb равна n+1n + 1. Поэтому его площадь S=aba+b1=nS = ab \ge a + b - 1 = n, так как (a1)(b1)=ab(a+b1)0(a-1)(b-1) = ab - (a + b - 1) \ge 0; при этом равенство может достигаться лишь при a=1a = 1 или b=1b = 1. Поскольку площади прямоугольников разбиения не превосходят nn, то S=nS = n, и одна из сторон нашего прямоугольника равна 11, а другая — nn. Такой прямоугольник можно выбрать двумя способами (вертикальный или горизонтальный), причем в обоих случаях после его отрезания остается лестница высоты n1n - 1, количество способов разрезать которую на оставшиеся прямоугольники площадей 1,2,,n11, 2, \ldots, n - 1 равно 2n22^{n-2} по предположению индукции. Значит, искомое количество способов равно 2n2+2n2=2n12^{n-2} + 2^{n-2} = 2^{n-1}, 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 and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.