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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / C4 · combinatorics

2021 IMO Shortlist C4

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 2021 C4 combinatorics

The kingdom of Anisotropy consists of nn cities. For every two cities there exists exactly one direct one-way road between them. We say that a path from XX to YY is a sequence of roads such that one can move from XX to YY along this sequence without returning to an already visited city. A collection of paths is called diverse if no road belongs to two or more paths in the collection. Let AA and BB be two distinct cities in Anisotropy. Let NABN_{A B} denote the maximal number of paths in a diverse collection of paths from AA to BB. Similarly, let NBAN_{B A} denote the maximal number of paths in a diverse collection of paths from BB to AA. Prove that the equality NAB=NBAN_{A B}=N_{B A} holds if and only if the number of roads going out from AA is the same as the number of roads going out from BB.

各向异性王国由 nn 个城市组成。对于每两个城市,它们之间恰好存在一条直接的单向道路。我们说从 XXYY 的路径是一系列道路,这样人们可以沿着这个序列从 XX 移动到 YY 而无需返回已经访问过的城市。如果没有一条道路属于集合中的两条或更多条路径,则该路径的集合称为多样化的。令 AABB 为 Anisotropy 中两个不同的城市。令 NABN_{A B} 表示从 AABB 的不同路径集合中的最大路径数。类似地,令 NBAN_{B A} 表示从 BBAA 的不同路径集合中的最大路径数。证明等式NAB=NBAN_{A B}=N_{B A}成立当且仅当从AA出去的道路数量与从BB出去的道路数量相同。

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。2021 年 IMO Shortlist C4 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?