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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / C3 · combinatorics

2017 IMO Shortlist C3

题面据 IMO Shortlist 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。

IMO Shortlist 2017 C3 combinatorics

Sir Alex plays the following game on a row of 9 cells. Initially, all cells are empty. In each move, Sir Alex is allowed to perform exactly one of the following two operations: (1) Choose any number of the form 2j2^{j}, where jj is a non-negative integer, and put it into an empty cell. (2) Choose two (not necessarily adjacent) cells with the same number in them; denote that number by 2j2^{j}. Replace the number in one of the cells with 2j+12^{j+1} and erase the number in the other cell. At the end of the game, one cell contains the number 2n2^{n}, where nn is a given positive integer, while the other cells are empty. Determine the maximum number of moves that Sir Alex could have made, in terms of nn. (Thailand)

亚历克斯爵士在一排 9 个格子上玩以下游戏。最初,所有单元格都是空的。在每次移动中,Alex 爵士都可以执行以下两种操作之一: (1) 选择 2j2^{j} 形式的任意数字,其中 jj 是非负整数,并将其放入空单元格中。 (2) 选择两个(不一定是相邻的)数字相同的单元格;用 2j2^{j} 表示该数字。将其中一个单元格中的数字替换为 2j+12^{j+1} 并删除另一个单元格中的数字。游戏结束时,一个单元格包含数字 2n2^{n},其中 nn 是给定的正整数,而其他单元格为空。确定 Alex 爵士可以采取的最大步数,以 nn 为单位。 (泰国)

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。2017 年 IMO Shortlist C3 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?