«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал (издаётся с 1970 года)
Старый сайт журнала: kvant.ras.ru

Задача М1115

Условие задачи (1988, № 7) Задача М1115 // Квант. — 1988. — № 7. — Стр. 31; 1988. — № 8. — Стр. 31; 1988. — № 11/12. — Стр. 41—42.

  1. В первой строке написаны 19 натуральных чисел, не превосходящих 88, а во второй строке — 88 натуральных чисел, не превосходящих 19. Назовём отрезком одно или несколько подряд написанных чисел одной строки. Докажите, что из данных строк можно выбрать по отрезку так, что суммы чисел в них равны.
  2. Пусть $n$‍,$m$‍,$k$‍‍ — натуральные числа. Докажите, что если $$ 1+2+\ldots+n=mk, $$ то числа 1, 2, $\ldots$‍,$n$‍‍ можно разбить на $k$‍‍ групп так, чтобы суммы чисел в каждой группе были равны $m$‍.

А. В. Анджанс

Условие задачи (1988, № 8) Задача М1115 // Квант. — 1988. — № 7. — Стр. 31; 1988. — № 8. — Стр. 31; 1988. — № 11/12. — Стр. 41—42.

  1. Пусть $n$‍,$m$‍,$k$‍‍ — натуральные числа, $m\ge n$‍.‍ Докажите, что если $$ 1+2+\ldots+n=mk, $$ то числа 1, 2, $\ldots$‍,$n$‍‍ можно разбить на $k$‍‍ групп так, чтобы суммы чисел в каждой группе были равны $m$‍.

Решение задачи (1988, № 11/12) Задача М1115 // Квант. — 1988. — № 7. — Стр. 31; 1988. — № 8. — Стр. 31; 1988. — № 11/12. — Стр. 41—42.

а) Пусть $a_1$‍,$a_2$‍,$\ldots$‍,$a_{19}$‍‍ — числа первой строки, $b_1$‍,$b_2$‍,$\ldots$‍,$b_{88}$‍‍ — второй, $A(i)=a_1+\ldots+a_i$‍,$B(i)=b_1+\ldots+b_i$‍.‍ Предположим, что $A(19)\ge B(88)$‍‍ (случай $A(19)\lt B(88)$‍‍ рассматривается аналогично). Для каждого $i$‍‍ обозначим через $n_i$‍‍ наименьшее из чисел $n$‍‍ таких, что $A(n)-B(i)\ge0$‍;‍ такое $n_i$‍‍ существует в силу нашего предположения. Рассмотрим 88 разностей $A(n_i)-B(i)$‍;‍ они могут принимать значения от 0 до 87, так как $A(n_i)-B(i)=A(n_i-1)-B(i)+a_{n_i}\lt a_{n_i}\le88$‍.‍ Если эти разности различны, то среди них есть 0 и наше утверждение выполнено. В противном случае какие-то две разности — скажем, для $i=l$‍‍ и $i=k$‍,$k\lt l$‍‍ — совпадают. Тогда $$ A(n_l)-A(n_k)=B(l)-B(k), $$ т. е. искомые отрезки — это $a_{n_k+1}$‍,$\ldots$‍,$a_{n_l}$‍‍ и $b_{k+1}$‍,$\ldots$‍,$b_l$‍.

Ясно, что числа 19 и 88 в этой задаче можно заменить на любые натуральные.

б) Доказательство проведём индукцией по $n$‍.‍ Для $n=1$‍‍ доказывать нечего. Допустим, что наше утверждение верно для всех значений параметра, меньших $n$‍,‍ и рассмотрим множество $S_n=\{1,2,\ldots,n\}$‍.

Если $m=n$‍,‍ то $\dfrac{n+1}2=k$‍‍ — целое и нужное разбиение таково: $$ \{n\},~\{1,n-1\},~\{2, n-2\},~\ldots,~\left\{\dfrac{n-1}2,\dfrac{n+1}2\right\}; $$ если $m=n+1$‍,‍ то $n$‍‍ чётно и разбиение имеет вид $$ \{1,n\},~\{2, n-1\},~\ldots,~\left\{\dfrac n2,\dfrac n2+1\right\}. $$ Теперь рассмотрим 3 случая.

Случай 1: $n+1\lt m\lt2n$‍,$m$‍нечётно. Выделим из набора $S_n$‍‍ набор $S_{m-n-1}$‍;‍ остальные $2n-m+1$‍‍ чисел можно разбить на пары с суммой $m$‍:$\{m-n,n\}$‍,$\{m-n+1,n-1\}$‍,$\ldots$‍,$\left\{\dfrac{m-1}2,\dfrac{m+1}2\right\}$‍.‍ Сумма чисел набора $S_{m-n-1}$‍‍ равна $$ \dfrac{(m-n-1)(m-n)}2=\dfrac{m^2-m(2n+1)}2+\dfrac{n(n+1)}2=m\left(\dfrac{m-2n-1}2+k\right) $$ и делится на $m$‍,‍ причём $m\ge m-n-1$‍,‍ поэтому эти числа по предположению индукции также можно разбить на группы с суммой $m$‍‍ в каждой группе.

Случай 2: $n+1\lt m\lt2n$‍,$m$‍чётно. Здесь мы тоже выделим набор $S_{m-n-1}$‍,‍ а остальные числа разобьём на пары с суммой $m$‍:$\{m-n,n\}$‍,$\{m-n+1,n-1\}$‍,$\ldots$‍,$\left\{\dfrac m2-1,\dfrac m2+1\right\}$‍,‍ и ещё одно число $\dfrac m2$‍.‍ Сумму чисел набора $S_{m-n+1}$‍‍ представим в виде $(m-2n-1+2k)\cdot\dfrac m2$‍.‍ Она делится на $\dfrac m2$‍,‍ причём $\dfrac m2\ge m-n-1$‍,‍ так как $\dfrac m2\lt n$‍.‍ Поэтому набор $S_{m-n-1}$‍‍ можно разбить на нечётное число $m-2n-1+2k$‍‍ групп с суммой $\dfrac m2$‍,‍ к одной из них присоединить $\dfrac{m}{2}$‍,‍ а остальные объединить попарно — получатся группы с суммой $m$‍.

Случай 3: $m\ge2n$‍.‍ Будем разбивать набор $S_n$‍‍ на $k$‍‍ групп с равной суммой, которая уже автоматически будет равна $m$‍.‍ Заметим, что $k=\dfrac{n(n+1)}{2m}\le\dfrac{n+1}4$‍,‍ и потому $n-2k\ge2k-1\gt0$‍.

Выделим из $S_n$‍‍ набор $S_{n-2k}$‍.‍ Сумма чисел этого набора $$ \dfrac{(n-2k)(n-2k+1)}2=\dfrac{n(n+1)}2-k(2n+1)+2k^2 $$ делится на $k$‍,‍ причём частное от этого деления не меньше $n-2k$‍‍ так как $\dfrac{(n-2k)(n-2k+1)}{2(n-2k)}=\dfrac{n-2k+1}2\ge k$‍.

Следовательно, $S_{n-2k}$‍‍ можно разбить по предположению индукции на $k$‍‍ равных по сумме групп. Остальные $2k$‍‍ чисел разбиваются на $k$‍‍ пар с равной суммой: $\{n-2k+1,n\}$‍,$\{n-2k+2,n-1\}$‍,$\ldots$‍‍ Остаётся объединить каждую группу с одной из пар.

А. В. Анджанс


Метаданные Задача М1115 // Квант. — 1988. — № 7. — Стр. 31; 1988. — № 8. — Стр. 31; 1988. — № 11/12. — Стр. 41—42.

Предмет
Математика
Условие
Решение
Номера

1988. — № 7. — Стр.  [условие]

1988. — № 8. — Стр.  [условие]

1988. — № 11/12. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М1115 // Квант. — 1988. — № 7. — Стр. 31; 1988. — № 8. — Стр. 31; 1988. — № 11/12. — Стр. 41‍—‍42.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m1115/