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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P3 · number-theory

2021 USAMO 第 3 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 2021 P3 number-theory

Let n2n \geq 2 be an integer. An n×nn \times n board is initially empty. Each minute, you may perform one of three moves:

- If there is an L-shaped tromino region of three cells without stones on the board (see figure; rotations not allowed), you may place a stone in each of those cells.
- If all cells in a column have a stone, you may remove all stones from that column.
- If all cells in a row have a stone, you may remove all stones from that row.

[asy]unitsize(20);draw((0,0)(4,0)(4,4)(0,4)(0,0));fill((0.2,3.8)(1.8,3.8)(1.8,1.8)(3.8,1.8)(3.8,0.2)(0.2,0.2)cycle,grey);draw((0.2,3.8)(1.8,3.8)(1.8,1.8)(3.8,1.8)(3.8,0.2)(0.2,0.2)(0.2,3.8),linewidth(2));draw((0,2)(4,2));draw((2,4)(2,0));[/asy][asy] unitsize(20); draw((0,0)--(4,0)--(4,4)--(0,4)--(0,0)); fill((0.2,3.8)--(1.8,3.8)--(1.8, 1.8)--(3.8, 1.8)--(3.8, 0.2)--(0.2, 0.2)--cycle, grey); draw((0.2,3.8)--(1.8,3.8)--(1.8, 1.8)--(3.8, 1.8)--(3.8, 0.2)--(0.2, 0.2)--(0.2, 3.8), linewidth(2)); draw((0,2)--(4,2)); draw((2,4)--(2,0)); [/asy]

For which nn is it possible that, after some non-zero number of moves, the board has no stones?

n2n \geq 2 为整数。 n×nn \times n 棋盘最初是空的。每分钟,您可以执行以下三个动作之一:

- 如果棋盘上有一个由三个单元格组成的 L 形特罗米诺区域,但没有棋子(见图;不允许旋转),您可以在每个单元格中放置一颗棋子。
- 如果一列中的所有单元格都有石头,您可以移除该列中的所有石头。
- 如果一行中的所有单元格都有石头,您可以移除该行中的所有石头。

$$

[asy] 单位大小(20);绘制((0,0)--(4,0)--(4,4)--(0,4)--(0,0)); fill((0.2,3.8)--(1.8,3.8)--(1.8, 1.8)--(3.8, 1.8)--(3.8, 0.2)--(0.2, 0.2)--循环,灰色);绘制((0.2,3.8)--(1.8,3.8)--(1.8,1.8)--(3.8,1.8)--(3.8,0.2)--(0.2,0.2)--(0.2,3.8),线宽(2));绘制((0,2)--(4,2));绘制((2,4)--(2,0)); [/asy]

$$

对于哪nn,经过一些非零次数的移动后,棋盘上可能没有棋子?

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。2021 年 USAMO P3 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?