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

2023 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 2023 P3 number-theory

Consider an nn-by-nn board of unit squares for some odd positive integer nn. We say that a collection CC of identical dominoes is a maximal grid-aligned configuration on the board if CC consists of (n21)/2(n^2-1)/2 dominoes where each domino covers exactly two neighboring squares and the dominoes don't overlap: CC then covers all but one square on the board. We are allowed to slide (but not rotate) a domino on the board to cover the uncovered square, resulting in a new maximal grid-aligned configuration with another square uncovered. Let k(C)k(C) be the number of distinct maximal grid-aligned configurations obtainable from CC by repeatedly sliding dominoes. Find all possible values of k(C)k(C) as a function of nn.

考虑一个 nn×nn 单位方块板,其中包含一些奇数正整数 nn。如果 CC(n21)/2(n^2-1)/2 多米诺骨牌组成,其中每个多米诺骨牌正好覆盖两个相邻的方格,并且多米诺骨牌不重叠,那么我们说,相同多米诺骨牌的集合 CC 是棋盘上的最大网格对齐配置:然后 CC 覆盖棋盘上除一个方格之外的所有方格。我们可以在棋盘上滑动(但不能旋转)多米诺骨牌来覆盖未覆盖的正方形,从而形成一个新的最大网格对齐配置,同时另一个未覆盖的正方形。令 k(C)k(C) 为通过重复滑动多米诺骨牌从 CC 获得的不同最大网格对齐配置的数量。找出 k(C)k(C) 作为 nn 函数的所有可能值。

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。2023 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?