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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / C3 · combinatorics

2019 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 2019 C3 combinatorics

Let nn be a positive integer. Harry has nn coins lined up on his desk, each showing heads or tails. He repeatedly does the following operation: if there are kk coins showing heads and k>0k>0, then he flips the kth k^{\text {th }} coin over; otherwise he stops the process. (For example, the process starting with THT would be THT HHTHTTTTT\rightarrow H H T \rightarrow H T T \rightarrow T T T, which takes three steps.) Letting CC denote the initial configuration (a sequence of nHn H 's and TT 's), write (C)\ell(C) for the number of steps needed before all coins show TT. Show that this number (C)\ell(C) is finite, and determine its average value over all 2n2^{n} possible initial configurations CC.

nn 为正整数。哈利的桌子上排列着 nn 硬币,每枚硬币都是正面或反面。他重复执行以下操作:如果有 kk 硬币正面朝上且 k>0k>0,则将 kth k^{\text {th }} 硬币翻转过来;否则他会停止该过程。 (例如,以 THT 开始的过程将是 THT HHTHTTTTT\rightarrow H H T \rightarrow H T T \rightarrow T T T,这需要三个步骤。)让 CC 表示初始配置(nHn HTT 的序列),写 (C)\ell(C) 表示所有硬币显示 TT 之前所需的步骤数。证明这个数字 (C)\ell(C) 是有限的,并确定它在所有 2n2^{n} 可能的初始配置 CC 上的平均值。

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。2019 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?