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番外 · 题谱 · 2019 · P5

2019 IMO 第 5 题

不等式 · P2/P5 · 中段题

题面据 IMO 可核档案整理;中文题意为本站自译或改写,正式公式请以原始来源为准。PDF:https://www.imo-official.org/problems/2019/eng.pdf。本站于 2026-05-13 将 IMO 题谱生成范围校验至 2025 年。

IMO 2019 P5 inequality

Let nn be a positive integer. Harry has nn coins lined up on his desk, which can show either heads or tails. He does the following operation: if there are kk coins which show heads and k>0k > 0 , then he flips the kk th coin over; otherwise he stops the process. (For example, the process starting with THTT H T would be THTHHTHTTTTTT H T\rightarrow H H T\rightarrow H T T\rightarrow T T T , which takes three steps.)

Prove the process will always terminate, and determine the average number of steps this takes over all 2n2^{n} configurations.

nn 为正整数。哈利的桌子上排列着 nn 硬币,这些硬币可以显示正面或反面。他执行以下操作:如果有 kk 个硬币正面朝上且 k>0k > 0 ,则将第 kk 个硬币翻转过来;否则他会停止该过程。 (例如,以 THTTH T 开头的过程将为 THTHHTHTTTTTTH T\rightarrow H H T\rightarrow H T T\rightarrow T T T ,这需要三个步骤。)

证明该过程始终会终止,并确定该过程在所有 2n2^{n} 配置上执行的平均步骤数。

提示 1

先猜等号,再看每一项的量纲和同次性。

提示 2

试着归一化,或把式子拆成柯西、均值、凸性可处理的块。

提示 3

最后检查等号条件是否和题设完全兼容。

完整解答

题面来自可核来源,本站补原创提示和解法骨架。 先把 2019 年第 5 题归入 inequality:不等式题:先判断等号形状,再选用均值、柯西、凸性、重排或归一化,把表达式压成可控的标准型。 完整解答的主线是先翻译题设,提取一个不变量或标准构型;第二步用提示阶梯里的入口建立关键等式;第三步把剩余情形分完,并回到题目要求检查边界和等号。P5 的题位也给出节奏提示:P1/P4 多半从直接观察起步,P2/P5 需要一个中间引理,P3/P6 则要把两个看似分开的条件接到同一个结构上。