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番外 · 题谱 · 2013 · P6

2013 Putnam A6

组合 · P3/P6 · 压轴题

题面据 Putnam 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。 PDF:https://kskedlaya.org/putnam-archive/2013.pdf。

Putnam 2013 A6 combinatorics

Define a function w:Z×ZZw: \mathbb{Z} \times \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}
as follows. For a,b2\left| a \right|, \left| b \right| \leq 2,
let w(a,b)w(a,b) be as in the table shown; otherwise, let w(a,b)=0w(a,b) = 0.

\begin{tabular}{|cc|r|r|r|r|r|}
\hline
\multicolumn{2}{|c|}{\multirow{2}{*}{w(a,b)w(a,b)}} & \multicolumn{5}{|c|}{bb} \\
& & -2 & -1 & 0 & 1 & 2 \\
\hline
& -2 & -1 & -2 & 2 & -2 & -1 \\
& -1 & -2 & 4 & -4 & 4 & -2 \\
aa & 0 & 2 & -4 & 12 & -4 & 2 \\
& 1 & -2 & 4 & -4 & 4 & -2 \\
& 2 & -1 & -2 & 2 & -2 & -1 \\
\hline
\end{tabular}

For every finite subset SS of Z×Z\mathbb{Z} \times \mathbb{Z},

define

$$

A(S) = \sum_{(\mathbf{s}, \mathbf{s}') \in S \times S} w(\mathbf{s} - \mathbf{s}').

$$

Prove that if SS is any finite nonempty subset of Z×Z\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}, then A(S)>0A(S) > 0.

(For example, if S={(0,1),(0,2),(2,0),(3,1)}S = \{(0,1), (0,2), (2,0), (3,1)\}, then the terms in A(S)A(S) are 12,12,12,12,4,4,0,0,0,0,1,1,2,2,4,412, 12, 12, 12, 4, 4, 0, 0, 0,0,-1,-1,-2,-2,-4,-4.)

定义函数 w:Z×ZZw: \mathbb{Z} \times \mathbb{Z} \to \mathbb{Z}

如下。对于\left|一个\右|,\左| b \右| \leq 2,

w(a,b)w(a,b) 如表所示;否则,令 w(a,b)=0w(a,b) = 0

\begin{表格}{|cc|r|r|r|r|r|}

\h行

\multicolumn{2}{|c|}{\multirow{2}{*}{w(a,b)w(a,b)}} & \multicolumn{5}{|c|}{bb} \\

&& -2 & -1 & 0 & 1 & 2 \\

\h行

& -2 & -1 & -2 & 2 & -2 & -1 \\

& -1 & -2 & 4 & -4 & 4 & -2 \\

aa & 0 & 2 & -4 & 12 & -4 & 2 \\

& 1 & -2 & 4 & -4 & 4 & -2 \\

& 2 & -1 & -2 & 2 & -2 & -1 \\

\h行

\end{表格}

对于 Z×Z\mathbb{Z} \times \mathbb{Z} 的每个有限子集 SS

定义

$$

A(S) = \sum_{(\mathbf{s}, \mathbf{s}') \in S \times S} w(\mathbf{s} - \mathbf{s}')。

$$

证明如果 SSZ×Z\mathbb{Z} \times \mathbb{Z} 的任意有限非空子集,则 A(S)>0A(S) > 0

(例如,如果 S={(0,1),(0,2),(2,0),(3,1)}S = \{(0,1), (0,2), (2,0), (3,1)\},则 A(S)A(S) 中的项为 12,12,12,12,4,4,0,0,0,0,1,1,2,2,4,412, 12, 12, 12, 4, 4, 0, 0, 0,0,-1,-1,-2,-2,-4,-4。)

提示 1

先决定对象是什么:集合、图、排列、颜色、路径,还是一次操作后的状态。

提示 2

找一个极端对象、双计数式、不变量,或把限制转成图上的局部条件。

提示 3

把局部限制累加成全局矛盾,或给出覆盖全部情形的构造。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2013 年 Putnam A6 可先归入组合:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?