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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / C5 · combinatorics

2020 IMO Shortlist C5

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 2020 C5 combinatorics

Let pp be an odd prime, and put N=14(p3p)1N=\frac{1}{4}\left(p^{3}-p\right)-1. The numbers 1,2,,N1,2, \ldots, N are painted arbitrarily in two colors, red and blue. For any positive integer nNn \leq N, denote by r(n)r(n) the fraction of integers in {1,2,,n}\{1,2, \ldots, n\} that are red. Prove that there exists a positive integer a{1,2,,p1}a \in\{1,2, \ldots, p-1\} such that r(n)a/pr(n) \neq a / p for all n=1,2,,Nn=1,2, \ldots, N. (Netherlands)

pp为奇素数,并设N=14(p3p)1N=\frac{1}{4}\left(p^{3}-p\right)-1。数字 1,2,,N1,2, \ldots, N 被任意涂成两种颜色:红色和蓝色。对于任何正整数 nNn \leq N,用 r(n)r(n) 表示 {1,2,,n}\{1,2, \ldots, n\} 中红色整数的分数。证明存在一个正整数 a{1,2,,p1}a \in\{1,2, \ldots, p-1\} 使得 r(n)a/pr(n) \neq a / p 对于所有 n=1,2,,Nn=1,2, \ldots, N。 (荷兰)

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。2020 年 IMO Shortlist C5 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?