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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / C7 · combinatorics

2021 IMO Shortlist C7

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 C7 combinatorics

Consider a checkered 3m×3m3 m \times 3 m square, where mm is an integer greater than 1 . A frog sits on the lower left corner cell SS and wants to get to the upper right corner cell FF. The frog can hop from any cell to either the next cell to the right or the next cell upwards. Some cells can be sticky, and the frog gets trapped once it hops on such a cell. A set XX of cells is called blocking if the frog cannot reach FF from SS when all the cells of XX are sticky. A blocking set is minimal if it does not contain a smaller blocking set. (a) Prove that there exists a minimal blocking set containing at least 3m23m3 m^{2}-3 m cells. (b) Prove that every minimal blocking set contains at most 3m23 m^{2} cells. Note. An example of a minimal blocking set for m=2m=2 is shown below. Cells of the set XX are marked by letters xx.

考虑一个方格 3m×3m3 m \times 3 m 正方形,其中 mm 是大于 1 的整数。一只青蛙坐在左下角单元格 SS 上,想要到达右上角单元格 FF。青蛙可以从任何单元格跳到右侧的下一个单元格或向上的下一个单元格。有些细胞可能有粘性,青蛙一旦跳到这样的细胞上就会被困住。如果当 XX 的所有单元格都具有粘性时,青蛙无法从 SS 到达 FF,则一组 XX 单元格被称为阻塞。如果阻塞集不包含更小的阻塞集,则该阻塞集是最小的。 (a) 证明存在包含至少 3m23m3 m^{2}-3 m 个单元的最小阻塞集。 (b) 证明每个最小分块集最多包含 3m23 m^{2} 个单元。笔记。 m=2m=2 的最小阻塞集示例如下所示。 XX 集合的单元格由字母 xx 标记。

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 C7 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?