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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P6 · number-theory

2016 USAMO 第 6 题

题面据 USAMO 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。

USAMO 2016 P6 number-theory

Integers nn and kk are given, with nk2.n\ge k\ge 2. You play the following game against an evil wizard.

The wizard has 2n2n cards; for each i=1,...,n,i = 1, ..., n, there are two cards labeled i.i. Initially, the wizard places all cards face down in a row, in unknown order.

You may repeatedly make moves of the following form: you point to any kk of the cards. The wizard then turns those cards face up. If any two of the cards match, the game is over and you win. Otherwise, you must look away, while the wizard arbitrarily permutes the kk chosen cards and turns them back face-down. Then, it is your turn again.

We say this game is winnable\textit{winnable} if there exist some positive integer mm and some strategy that is guaranteed to win in at most mm moves, no matter how the wizard responds.

For which values of nn and kk is the game winnable?

给出整数 nnkk,其中 nk2.n\ge k\ge 2. 您与邪恶巫师玩以下游戏。

巫师有 2n2n 卡;对于每个 i=1,...,n,i = 1, ..., n,,有两张标记为 i.i. 的卡片。最初,向导将所有卡片面朝下以未知顺序排列成一排。

您可以重复进行以下形式的移动:您指向任意 kk 的牌。然后巫师将这些牌翻面朝上。如果任何两张牌匹配,则游戏结束,您获胜。否则,你必须把目光移开,而向导会任意排列 kk 选定的牌并将它们面朝下放回去。然后,又轮到你了。

如果存在一些正整数 mm 和一些保证在最多 mm 步中获胜的策略,无论向导如何响应,我们就说这个游戏是 winnable\textit{winnable}

对于哪些 nnkk 值,游戏可以获胜?

提示 1

先看同余、整除、最大公因数和 p 进赋值。

提示 2

把整数条件转成同余方程、指数比较或下降过程。

提示 3

若要存在性,用构造;若要唯一性,用最小反例、无限下降或模限制。

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。2016 年 USAMO P6 可先归入数论: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?