Вариант 1. Числа
Сколько трехзначных чисел с различными цифрами можно составить из \(1,2,3,4,5\)?
Выбирайте цифры по позициям.
Для сотен \(5\) выборов, для десятков \(4\), для единиц \(3\). Итого \(5\cdot4\cdot3=60\).
Глава
Теория
Пробная олимпиада проверяет не отдельный метод, а выбор метода под давлением времени. В одном варианте рядом могут стоять счетная задача, Дирихле, инвариант, игра, граф и рекурсия.
Цель модуля - научить ученика быстро читать условие, выбирать первый разумный инструмент и доводить решение до строгого доказательства.
Начинайте с классификации цели: посчитать, доказать существование, доказать невозможность, найти стратегию. Затем ищите объект: числа, доска, граф, последовательность, игра. Наконец выберите самый простой инструмент, который может дать результат.
Примеры
В пробном варианте первая задача часто решается правильным порядком выбора.
Задача. Сколько четырехзначных чисел с различными цифрами можно составить из \(1,2,3,4,5\), если число должно быть нечетным?
Последняя цифра должна быть \(1\), \(3\) или \(5\): \(3\) выбора. Остальные три позиции заполняются без повторений из оставшихся \(4\) цифр: \(4\cdot3\cdot2\). Итого \(3\cdot4\cdot3\cdot2=72\).
Если объектов на один больше, чем типов, решение должно быть коротким.
Задача. Докажите, что среди \(13\) человек найдутся двое, родившиеся в один месяц.
Месяцев \(12\), людей \(13\). По принципу Дирихле два человека попадают в один месяц.
Операции редко требуют перебора всех состояний.
Задача. На доске написано \(0\). За ход можно прибавить \(6\) или вычесть \(9\). Можно ли получить \(100\)?
Оба изменения кратны \(3\), значит остаток по модулю \(3\) сохраняется. Был остаток \(0\), а \(100\equiv1\pmod3\). Получить \(100\) нельзя.
Доски нужно проверять цветом даже после проверки площади.
Задача. Можно ли покрыть домино доску \(8\times8\) без двух противоположных углов?
Противоположные углы одного цвета. После удаления цветов не поровну, а домино всегда покрывает одну черную и одну белую клетку. Поэтому нельзя.
В игре нужен не ответ, а стратегия.
Задача. В куче \(29\) камней. За ход берут от \(1\) до \(4\). Последний ход выигрывает. Кто выигрывает?
\(29\equiv4\pmod5\), поэтому первый берет \(4\) и оставляет \(25\). Далее он дополняет ход соперника до \(5\). Первый выигрывает.
Связи между парами почти всегда превращаются в граф.
Задача. В графе \(8\) вершин и \(17\) ребер. Докажите, что есть вершина степени не меньше \(5\).
Сумма степеней \(34\), средняя степень \(34/8>4\). Значит хотя бы одна вершина имеет степень не меньше \(5\).
Задачи
Сколько трехзначных чисел с различными цифрами можно составить из \(1,2,3,4,5\)?
Выбирайте цифры по позициям.
Для сотен \(5\) выборов, для десятков \(4\), для единиц \(3\). Итого \(5\cdot4\cdot3=60\).
Докажите, что среди \(13\) человек найдутся двое, родившиеся в один месяц.
Месяцев \(12\).
Есть \(12\) месяцев и \(13\) человек. По принципу Дирихле два человека попадают в один и тот же месяц.
Лежат \(9\) монет орлом вверх. За ход переворачивают ровно две монеты. Можно ли получить все монеты решкой вверх?
Следите за четностью числа орлов.
Число орлов меняется на \(-2\), \(0\) или \(2\), значит его четность сохраняется. Было \(9\) орлов, должно стать \(0\). Нечетность не может стать четностью, поэтому нельзя.
В графе степени вершин равны \(2,2,3,3\). Сколько ребер?
Сумма степеней вдвое больше числа ребер.
Сумма степеней \(10\), значит ребер \(10/2=5\).
Сколько кратчайших путей из \((0,0)\) в \((3,2)\), если можно идти только вправо и вверх?
Всего \(5\) шагов.
Нужно \(3\) шага вправо и \(2\) вверх. Выбираем места для \(2\) шагов вверх: \(\binom{5}{2}=10\).
С доски \(6\times6\) удалили две противоположные угловые клетки. Можно ли покрыть оставшуюся часть домино?
Углы одного цвета.
В шахматной раскраске противоположные углы одного цвета. После их удаления цветов не поровну. Каждое домино покрывает одну клетку каждого цвета, значит покрытия нет.
В куче \(22\) камня. За ход можно взять от \(1\) до \(3\) камней. Последний ход выигрывает. Кто выигрывает?
Кратные \(4\) проигрышны.
\(22\equiv2\pmod4\). Первый берет \(2\) камня и оставляет \(20\). Затем он дополняет ход соперника до \(4\).
В турнире \(7\) игроков каждый сыграл с каждым ровно один раз. Сколько партий сыграно?
Партия - это пара игроков.
Число партий равно числу пар игроков: \(\binom{7}{2}=21\).
Каждый из \(15\) учеников посещает ровно \(2\) кружка. Каждый кружок посещают ровно \(5\) учеников. Сколько кружков?
Считайте пары «ученик, кружок».
По ученикам пар \(15\cdot2=30\). Если кружков \(k\), по кружкам пар \(5k\). Значит \(5k=30\), откуда \(k=6\).
Сколько двоичных строк длины \(6\) не содержат двух соседних единиц?
Рекурсия \(a_n=a_{n-1}+a_{n-2}\).
При \(a_0=1\), \(a_1=2\) получаем \(a_2=3\), \(a_3=5\), \(a_4=8\), \(a_5=13\), \(a_6=21\).
Докажите, что среди любых \(9\) целых чисел найдутся два с одинаковым остатком при делении на \(8\).
Остатков всего \(8\).
Есть \(8\) остатков по модулю \(8\), а чисел \(9\). По принципу Дирихле два числа имеют одинаковый остаток.
Сколько минимум ребер нужно, чтобы граф на \(12\) вершинах был связным?
Связный граф на \(n\) вершинах имеет хотя бы \(n-1\) ребер.
Минимум равен \(12-1=11\). Достигается на пути из \(12\) вершин.
Докажите, что среди любых \(8\) целых чисел можно выбрать несколько подряд идущих чисел с суммой, делящейся на \(8\).
Рассмотрите частичные суммы по модулю \(8\).
Пусть \(S_k=a_1+\cdots+a_k\). Если какой-то \(S_k\) делится на \(8\), готово. Иначе \(8\) частичных сумм имеют только \(7\) ненулевых остатков, значит две имеют одинаковый остаток. Их разность - сумма подряд идущего блока - делится на \(8\).
Сколькими способами можно замостить доску \(2\times7\) домино?
Последний столбец вертикальный или две горизонтальные плитки.
Для \(a_n\) имеем \(a_n=a_{n-1}+a_{n-2}\), \(a_0=1\), \(a_1=1\). Значения дают \(a_7=21\).
Игроки по очереди прибавляют к сумме число от \(1\) до \(6\). Начальная сумма \(0\). Кто первым получит \(50\), выигрывает. Кто выигрывает?
\(50\equiv1\pmod7\).
Первый прибавляет \(1\). Затем на ход соперника \(a\) отвечает \(7-a\). После ходов первого суммы \(1,8,15,\ldots,50\), значит первый выигрывает.
Докажите, что в компании из \(10\) человек найдутся двое с одинаковым числом знакомых.
Значения \(0\) и \(9\) не могут встречаться вместе.
Возможные числа знакомых от \(0\) до \(9\), но \(0\) и \(9\) несовместимы. Значит разных значений не больше \(9\), а людей \(10\). По принципу Дирихле две степени равны.
С доски \(5\times5\) удалили клетку \((1,1)\). Можно ли покрыть оставшуюся часть прямыми тримино \(1\times3\)?
Цвет \(i+j\pmod3\).
При раскраске \(i+j\pmod3\) каждое тримино покрывает три цвета. На доске \(5\times5\) цвета встречаются \(9,8,8\) раз, а после удаления \((1,1)\) количества не становятся равными. Значит покрытия нет.
На доске написано \(5\). За ход можно прибавить \(6\) или вычесть \(9\). Можно ли получить \(100\)?
Остаток по модулю \(3\).
Оба изменения кратны \(3\), поэтому остаток по модулю \(3\) сохраняется. \(5\equiv2\pmod3\), а \(100\equiv1\pmod3\). Нельзя.
Есть две кучи: \(15\) и \(21\) камень. За ход можно взять любое положительное число камней из одной кучи. Последний ход выигрывает. Найдите выигрышный первый ход.
Сделайте кучи равными.
Первый берет \(6\) камней из кучи \(21\), оставляя две кучи по \(15\). Далее он повторяет ход соперника в другой куче. Такая стратегия приводит к последнему ходу первого.
Докажите, что в дереве с хотя бы двумя вершинами есть не менее двух вершин степени \(1\).
Возьмите самый длинный простой путь.
Концы самого длинного простого пути не могут иметь дополнительных соседей: иначе путь продолжился бы или появился бы цикл. Поэтому оба конца имеют степень \(1\).
Докажите, что в графе на \(9\) вершинах, где каждая степень не меньше \(5\), есть треугольник.
Посмотрите на соседей одной вершины.
Возьмем вершину \(v\) и \(5\) ее соседей. Если среди соседей есть ребро, получаем треугольник с \(v\). Если ребер между ними нет, то каждый из этих соседей соединен с \(v\) и максимум с тремя оставшимися вершинами, то есть имеет степень не больше \(4\), противоречие.
С доски \(8\times8\) удалили четыре угла. Докажите, что оставшуюся часть нельзя покрыть прямыми тетрамино \(1\times4\).
Раскрасьте клетки по \(i+j\pmod4\).
Каждое прямое тетрамино покрывает по одной клетке каждого из четырех цветов \(i+j\pmod4\). На полной доске каждого цвета по \(16\), а углы имеют цвета \(2,1,1,0\). После удаления количества становятся \(15,14,15,16\), не равны. Значит покрытия нет.
Сколько путей из \((0,0)\) в \((4,4)\), состоящих из шагов вправо и вверх, не поднимаются выше диагонали \(y=x\)?
Вычтите плохие пути отражением.
Всего путей \(\binom{8}{4}=70\). Плохие пути, впервые поднявшиеся выше диагонали, отражаются в пути из \((-1,1)\) в \((4,4)\), их \(\binom{8}{3}=56\). Поэтому хороших путей \(70-56=14\).
Докажите, что среди любых \(6\) человек найдутся либо \(3\) попарно знакомых, либо \(3\) попарно незнакомых.
Выберите одного человека и разделите остальных на две группы.
Выберем человека \(A\). Среди остальных \(5\) есть либо \(3\), знакомые с \(A\), либо \(3\), не знакомые с \(A\). Пусть \(A\) знаком с \(B,C,D\). Если среди \(B,C,D\) есть знакомая пара, вместе с \(A\) получаем тройку знакомых; если нет, то \(B,C,D\) попарно незнакомы. Случай трех незнакомых с \(A\) аналогичен.
Лестницы