Квант

44

С. Фомин

Билеты и ящики

В этой заметке решается задача, предлагая в 1977 году на втором (исследовательском).type XI Всесоюзной олимпiadы по математике. Эта задача была помещена в «Задание к Кванта» («Квант», 1977, № 9, М465). Напомним ее формулировку.

Имеется тысяча билетов с номерами 000, 001, …, 999 и стю ящиков с номерами 00, 01, …, 99. Билет разрезается опускать в ящик, если номер ящика можно получить из номера этого билета вычеркиванем одной из цифр. Докажите, что

a) можно разложить все билеты в 50 ящиков;
b) нельзя разложить все билеты менее чем в 40 ящиков;
b) нельзя разложить все билеты менее чем в 50 ящиков.

Пусть вообще имеется 10^k билетов с k-значными номерами от 00…0 до 99…9. Билет разрезается опу-
скать в ящик, номер которого можно получить из номера этого билета вычеркиванем одной из цифр. Докажите, что

  1. Функция F(k, N)

Начнем с вопроса, на первый взгляд, не связанного с нашей задачей.

Пусть k и N — два натуральных числа. Рассмотрим всевозможные наборы из k целых неотрицательных чисел, сумма которых равна N. Для каждой такого набора найдем сумму квадратов входящих в него чисел (рис. 1). Наименьшую из этих сумм обозначим F(k, N). Пусть она соответствует набору A = {a₁, a₂, …, aₖ}.

Лемма. Каждый цисла, входящих в набор A, отличаются не более чем на 1.

Доказательство. Предположим противное. Пусть, скажем, a₂ > a₁ + 1. Рассмотрим набор A’ = {a₁ + 1, a₂ - 1, a₃, …, aₖ}.

Поскольку

(a1+1)2+(a2−1)2=a12+a22−2(a2−a1)<a12+a22,\left( a_1 + 1 \right)^2 + \left( a_2 - 1 \right)^2 = a_1^2 + a_2^2 - 2 \left( a_2 - a_1 \right) < a_1^2 + a_2^2,

сумма квадратов чисел, входящих в набор A’, меньше аналогичной суммы для A. Полученное противное доказывает lemму.

Теперь понятно, как вычислять F(k, N). Нужно разделить N на k с остатком и подбрать k чисел так, чтобы каждое из них было либо равно частному, либо на 1 больше его, а сумма этих чисел была равна N.

На рисунке 2 приведена таблица значений функций F(k, N) для небольших k и N.

Какова «геометрическая» интерпретация F(k, N)? Пусть для простоты k = 3. Тогда задачу нахождения F(k, N) можно воспринять следующим образом: найти в треугольнике ABC, задавемом в пространстве уравнений x₁ + x₂ + x₃ = N и неравенствами x₁ ≥ 0,

45

Рис. 2.

x2≥0,x3≥0x_2 \geq 0, x_3 \geq 0 (рис. 3), мощу MM с целыми координатами, наименее удалению от начала координат OO (интересующая нас сумма квадратов есть не что иное, как квадрат расстояния от точки OO до MM). Естественно, что нужно взять эту точку попытке к основанию перепределения, опущенного из OO на плоскость треугольника ABCABC, то есть к точке (N3;N3;N3)\left(\frac{N}{3}; \frac{N}{3}; \frac{N}{3}\right).

Для k>3k > 3 аналогичные расчужнения возможны с привлечением понятия kk-мерного пространства.

Рассмотрим еще одну интерпретацию F(k,N)F(k, N). Пусть для простоты k=2k = 2. Тогда рассматриваемые наборы имеют вид ∣a,N−a∣(a−целое неотрицательное)|a, N - a|(a - \text{целое неотрицательное}), и перед нами стоит задача нахождения минимума функции x→x2+(N−x)2x \rightarrow x^2 + (N - x)^2, заданной на множество целых чисел из intervala [0,N][0, N]. Эта функция — квадратный трехчлен; минимум достигается в точке x=N2x = \frac{N}{2}. Поэтому F(2,N)F(2, N) равно N22\frac{N^2}{2} или N2+12\frac{N^2 + 1}{2} в зависимости от четности NN (рис. 4).

Для k>2k > 2 нужно рассматривать соответствующее функцию k−1k - 1 переменных и находить ее минимум.

  1. Решение задач a) и b)

Расположим все ящики в виде квадрата 10×1010 \times 10, как показано на рис. 5, aa. На рис. 5, bb этот квадрат Q0Q_0 нарисован в привящном для нас виде; будем считать, что каждая его клетка — это ящик с соответствующим номером. Строчки и столбцы этого квадрата пропумерем цифрами от 1 до 9. Поскольку все цифры в условиях задачи равноправны, строчки и столбцы квадрата Q0Q_0 можно переставлять.

Нам нужно выбрать некоторое количество ящиков и разложить все билеты в эти ящики. Договоримся клетки, соответствующие выбранным ящикам, закрашивать в Q0Q_0. Пусть минимальное количество клетки

46

ТОК, а именно n0n_0, закрашено в нулевой строке; можно считать, что это первыые n0n_0 клеток строки. Расстояним теперь квадрат Q1Q_1, получащийся из Q0Q_0 вычеркиванием первых n0n_0 строкек и первых n0n_0 столбцов (рис. 6). Покажем, что все клетки Q1Q_1 должны быть закрашены. Для этого возьмем ящики с номером xyxy, где x≥n0x \geq n_0, y≥n0y \geq n_0. В него обязаτεльно попадает билет 0xy0xy: его нельзя положить в ящики 0x0x и 0y0y, так как соответствующие клетки не закрашены. Значит, клетка с номером xyxy должна быть закрашена для всех x≥n0x \geq n_0, y≥n0y \geq n_0.

После темы, сколько же всего клеток закрашено в нашем квадрате Q0Q_0. В каждой строке прямогольника Π0\Pi_0 (см. рис. 6) закрашено по крайней мере n0n_0 клеток. В Q1Q_1 закрашены все (10−n0)2(10-n_0)^2 клеток. Таким образом, в Q0Q_0 закрашено по крайней мере n02+(10−n0)2n_0^2 + (10-n_0)^2 клеток. Наименьшая из этих сумм равна F(2,10)F(2, 10) 50. Так что, во всяком случае, в Q0Q_0 закрашено не менее 50 клеток. С другой стороны, пятидесети ящиков с номерами, выписанными на рисунке 7, достаточно: вычеркив в номере каждого билета цифру так, чтобы оставались две цифры одинаковой четности, мы поместим этот билет в соответствующей ящик. Эти два сообщения завершают решение пунктов a) и b) задачи.

  1. Решение задачи d)

Пусть теперь билеты kk-значные. Будем считать, что у нас не 10 цифр, а NN, где NN — некоторое произвольное натуральное число (так, как если бы

нас была принята NN-ичная система численения).

Строки квадрата Q0Q_0 занумерут теперь числа от 0 до N−1N-1; таким образом, в Q0Q_0 всего N2N^2 клеток.

По-прежнему будем считать, что в нулевой строке — n0n_0 закрашенных клеток, а в любой другой строке — не меняше, чем n0n_0. Аналогично построим квадрата Q1Q_1. Поступим с Q1Q_1 так же, как мы поступали с Q0Q_0, — выберем в нем строкку, в которой меняше всего закрашенных клеток (пусть это его первая строкка, т. е. строкка с номером n0n_0 в исходном квадрате), обозначим количество закрашенных клеток в ней через n1n_1 и, выкинув из Q1Q_1 первые n1n_1 строкек и столбцов, получим квадрата Q2Q_2. С ним построим так же, и т. д., до квадрата Qk−2Q_{k-2} (рис. 8). Примогольники, аналогичные Π0\Pi_0, обозначим через

Рис. 7.