第35届IMO预选题(瑞典提供)

题目:

1994个姑娘围着一张圆桌,玩一副n张牌的游戏。开始时,一个姑娘手中握有所有牌.如果至少一个姑娘至少握有两张牌时,那么这些姑娘中的一个必须分给她左、右两个姑娘各一张牌。当且仅当每个姑娘至多握有一张牌时,这游戏就结束了。

问题:
(1)如果n≥1994,求证:这游戏不能结束;
(2)如果n<1994,求证:这游戏必定结束;

证明:

(1)当n>1994时,显然不存在每个姑娘至多握有一张牌的情况,所以游戏不能结束。

当n=1994时,最开始有1994张牌的姑娘最后只剩1张,不妨令其的站位为(1993) 1991 ··· 5 3 1 0 2 4 6 ···1992,0是最开始有牌的姑娘,(1993)与1991、1992相邻(因为是圆桌,站位是环状的)。

假设最后游戏可以结束。由题意可知,0分牌的时候,每次都给1、2一张,由于0最后剩了1张,所以2、1向两侧分牌的次数肯定不同。令Xi为i向两侧分牌的次数。那么有:

x0+x3-2x1=1 ; x0+x4-2x2=1

联立,得:x3-x4=2(x1-x2)

x1+x5-2x3=1 ; x2+x6-2x4=1

联立,得:x5-x6=3(x1-x2)

·······

x2i-5+x2i-1-2x2i-3=1 ; x2i-4+x2i-2-x2i-2=1

联立,得x2i-1-x2i=i(x1-x2)

······

x1985+x1989-2x1987=1 ; x1986+x1990-2x1988=1

联立,得:x1989-x1990=995(x1-x2);

x1987+x1991-2x1989=1 ; x1988+x1992-2x1990=1

联立,得:x1991-x1992=996(x1-x2);

x1989+x1993-2x1991=1;A

x1993+x1990-2x1992=1;B

联立AB得:

x1989-x1990=2(x1991-x1992)=1992(x1-x2);

而之前得到的  x1989-x1990=995(x1-x2), 只有当x1=x2时,才能满足x1989-x1990=995(x1-x2)=1992(x1-x2),而2、1向两侧分牌的次数肯定不同,即x2≠x1,所以存在矛盾,所以假设不成立,所以当n=1994时,游戏不能结束。

(2)当n=2、3时,游戏显然可以结束。

先证明对于n<1994的所有奇数都可以结束:

令n是奇数,假设n-2可以结束并且最后的牌分布情况为   (0)11··11“1”11··11(0)。 "1"是最开始有n-2张牌的姑娘。那么初始有n张牌时一定可变为(0)11··11“3”11··11(0),然后将3分开,得到(0)11··12“1”21··11(0)。

下面利用数学归纳法证明(0)11··12“1”21··11(0)可转为(0)21··11“1”11··12(0),

将(0)11··121··1“1”1··121··11(0)  变为(0)11··202··1“1”1··202··11(0),只要0211··1“1”1··1120可变为1111··1“1”1··1111,那么(0)11··121··1“1”1··121··11(0)就可变为(0)11··211··1“1”1··112··11(0)。下面证明所有的0211··1“1”1··1120都可变为1111··1“1”1··1111:

0211··1“1”1··1120可变为1021··1“1”1··1201,如果021··1“1”1··120可变为111··1“1”1··111,那么0211··1“1”1··1120即可变为1111··1“1”1··1111。

由于最底层的02“1”20可变为11“1”11,所以向上反推,可得所有的0211··1“1”1··1120都可变为1111··1“1”1··1111。

所以(0)11··121··1“1”1··121··11(0)在变为(0)11··202··1“1”1··202··11(0)之后,02··1“1”1··20再变为1111··1“1”1··1111,那么(0)11··121··1“1”1··121··11(0)就变为了(0)11··211··1“1”1··112··11(0),同理,(0)11··12“1”21··11(0)可变为(0)11··21“1”12··11(0),····(0)12··11“1”11··21(0)可变为(0)21··11“1”11··12(0),而(0)21··11“1”11··12(0)又可变为(1)02··11“1”11··20(1),又因为所有的0211··1“1”1··1120都可变为1111··1“1”1··1111,所以(1)02··11“1”11··20(1)可变为(1)11··11“1”11··11(1),此时满足结束的条件,且牌最后的分布情况是 (0)11··11“1”11··11(0)。所以对于n<1994的所有奇数,当n-2可以结束并且最后的牌分布情况为   (0)11··11“1”11··11(0)时,n是可以结束的。而由于当n=3时的分布情况为01“1”10,所以n=5可以结束,n=7可以结束····n=1993可以结束,所以对于n<1994的所有奇数都可以结束。

再证明对于n<1994的所有偶数都可以结束:

n为偶数时的证明方法与奇数的证明方法完全相同,只不过中间的“1”变成了“0”:

令n是偶数,假设n-2可以结束并且最后的牌分布情况为   (0)11··11“0”11··11(0)。 "0"是最开始有n-2张牌的姑娘。那么初始有n张牌时一定可变为(0)11··11“2”11··11(0),然后将2分开,得到(0)11··12“0”21··11(0)。

下面利用数学归纳法证明(0)11··12“0”21··11(0)可转为(0)21··11“0”11··12(0),

将(0)11··121··1“0”1··121··11(0)  变为(0)11··202··1“0”1··202··11(0),只要0211··1“0”1··1120可变为1111··1“0”1··1111,那么(0)11··121··1“0”1··121··11(0)就可变为(0)11··211··1“0”1··112··11(0)。下面证明所有的0211··1“0”1··1120都可变为1111··1“0”1··1111:

0211··1“0”1··1120可变为1021··1“0”1··1201,如果021··1“0”1··120可变为111··1“0”1··111,那么0211··1“0”1··1120即可变为1111··1“0”1··1111。

由于最底层的02“0”20可变为11“0”11,所以向上反推,可得所有的0211··1“0”1··1120都可变为1111··1“0”1··1111。

所以(0)11··121··1“0”1··121··11(0)在变为(0)11··202··1“0”1··202··11(0)之后,02··1“0”1··20再变为1111··1“0”1··1111,那么(0)11··121··1“0”1··121··11(0)久变为了(0)11··211··1“0”1··112··11(0),同理,(0)11··12“0”21··11(0)可变为(0)11··21“0”12··11(0),····(0)12··11“0”11··21(0)可变为(0)21··11“0”11··12(0),而(0)21··11“0”11··12(0)又可变为(1)02··11“0”11··20(1),又因为所有的0211··1“0”1··1120都可变为1111··1“0”1··1111,所以(1)02··11“0”11··20(1)可变为(1)11··11“0”11··11(1),此时满足结束的条件,且牌最后的分布情况是 (0)11··11“0”11··11(0)。所以对于n<1994的所有偶数,当n-2可以结束并且最后的牌分布情况为   (0)11··11“0”11··11(0)时,n是可以结束的。而由于当n=2时的分布情况为01“0”10,所以n=4可以结束,n=6可以结束····n=1992可以结束,所以对于n<1994的所有偶数都可以结束。

所以如果n<1994,这游戏必定结束。

原文地址:https://www.cnblogs.com/lau1997/p/13629884.html