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番外 · 题谱 · 2013 · P9

2013 Putnam B3

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 B3 combinatorics

Let P\mathcal{P} be a nonempty collection of subsets of {1,…,n}\{1,\dots, n\} such that:

(i)
if S,S′∈PS, S' \in \mathcal{P}, then S∪S′∈PS \cup S' \in \mathcal{P} and S∩S′∈PS \cap S' \in \mathcal{P}, and

(ii)
if S∈PS \in \mathcal{P} and S≠∅S \neq \emptyset, then there is a subset T⊂ST \subset S
such that T∈PT \in \mathcal{P} and TT contains exactly one fewer element than SS.

Suppose that f:P→Rf: \mathcal{P} \to \mathbb{R} is a function such that

f(∅)=0f(\emptyset) = 0 and

$$

f(S \cup S') = f(S) + f(S') - f(S \cap S') \mbox{ for all S,S′∈PS,S' \in \mathcal{P}.}

$$

Must there exist real numbers f1,…,fnf_1,\dots,f_n such that

$$

f(S) = \sum_{i \in S} f_i

$$

for every S∈PS \in \mathcal{P}?

令 P\mathcal{P} 为 {1,…,n}\{1,\dots, n\} 子集的非空集合,使得:

(一)
如果 S,S′∈PS, S' \in \mathcal{P},则 S∪S′∈PS \cup S' \in \mathcal{P} 和 S∩S′∈PS \cap S' \in \mathcal{P},并且

(二)
如果S∈PS \in \mathcal{P} 和S≠∅S \neq \emptyset,则存在子集T⊂ST \subset S
这样T∈PT \in \mathcal{P} 和TT 所包含的元素就比SS 少一个。

假设 f:P→Rf: \mathcal{P} \to \mathbb{R} 是一个函数,使得

f(∅)=0f(\emptyset) = 0 并且

$$

f(S \cup S') = f(S) + f(S') - f(S \cap S') \mbox{ 对于所有 S,S′∈PS,S' \in \mathcal{P}.}

$$

必须存在实数 f1,…,fnf_1,\dots,f_n 使得

$$

f(S) = \sum_{i \in S} f_i

$$

对于每个 S∈PS \in \mathcal{P}?

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 B3 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?