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番外 · 闲灯 / 中国数学奥林匹克 / P2 · combinatorics

2023 CMO 第 2 题

题面据中国数学奥林匹克 / AoPS 可核档案整理;中文题意为本站自译,英文行为来源英译摘要,公式请以原始来源为准。

CMO 2023 P2 combinatorics

Given positive integer m,nm,n , color the points of the regular (2m+2n)(2m+2n) -gon in black and white, 2m2m in black and 2n2n in white.

The *coloring distance* d(B,C)d(B,C) of two black points B,CB,C is defined as the smaller number of white points in the two paths linking the two black points.

The *coloring distance* d(W,X)d(W,X) of two white points W,XW,X is defined as the smaller number of black points in the two paths linking the two white points.

We define the matching of black points B\mathcal{B} : label the 2m2m black points with A1,,Am,B1,,BmA_1,\cdots,A_m,B_1,\cdots,B_m satisfying no AiBiA_iB_i intersects inside the gon.

We define the matching of white points W\mathcal{W} : label the 2n2n white points with C1,,Cn,D1,,DnC_1,\cdots,C_n,D_1,\cdots,D_n satisfying no CiDiC_iD_i intersects inside the gon.

We define P(B)=i=1md(Ai,Bi),P(W)=j=1nd(Cj,Dj)P(\mathcal{B})=\sum^m_{i=1}d(A_i,B_i), P(\mathcal{W} )=\sum^n_{j=1}d(C_j,D_j) .

Prove that: maxBP(B)=maxWP(W)\max_{\mathcal{B}}P(\mathcal{B})=\max_{\mathcal{W}}P(\mathcal{W})

给定正整数 m,nm,n ,将规则 (2m+2n)(2m+2n) 边形的点着色为黑色和白色,将 2m2m 着色为黑色,将 2n2n 着色为白色。

两个黑点B,CB,C的*着色距离*d(B,C)d(B,C)定义为连接这两个黑点的两条路径中白点的较少数量。

两个白点 W,XW,X 的*着色距离* d(W,X)d(W,X) 定义为连接两个白点的两条路径中较少数量的黑点。

我们定义黑点的匹配 B\mathcal{B} :用 A1,,Am,B1,,BmA_1,\cdots,A_m,B_1,\cdots,B_m 标记 2m2m 黑点,满足多边形内不存在 AiBiA_iB_i 相交的情况。

我们定义白点的匹配 W\mathcal{W} :用 C1,,Cn,D1,,DnC_1,\cdots,C_n,D_1,\cdots,D_n 标记 2n2n 个白点,满足 gon 内不存在 CiDiC_iD_i 相交的情况。

我们定义 P(B)=i=1md(Ai,Bi),P(W)=j=1nd(Cj,Dj)P(\mathcal{B})=\sum^m_{i=1}d(A_i,B_i), P(\mathcal{W} )=\sum^n_{j=1}d(C_j,D_j)

证明: maxBP(B)=maxWP(W)\max_{\mathcal{B}}P(\mathcal{B})=\max_{\mathcal{W}}P(\mathcal{W})

提示 1

先说出现象:哪些量会变,哪些约束不会变。

提示 2

找守恒量、相似关系、平衡条件或不变量,不急着代公式。

提示 3

把物理图景或谜题结构翻成一个最小方程组,再处理边界情况。

完整解答

题面已直接收录。先把 2023 年 CMO 第 2 题的条件整理成对象、关系、目标三部分;再沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;最后补齐边界情形,并回到原题要求核对。

这类题最怕一上来套公式。先把图景或语言条件说清楚,答案通常会少绕很多路。