Высшая проба 2022, 9-10 классы, задача 4

( баллов) Напомним, что запись числа в -ичной системе счисления - это представление , где - целые числа от до , причем - не ноль. Назовем четырехзначное число интересным, если . Найдите количество упорядоченных пар интересных чисел, сумма которых - тоже интересное число (как функцию от в замкнутой форме).

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение. На протяжении этого решения число сочетаний из по обозначается , читателей, более привыкших к нотации просим обращать внимание на "перевернутый" порядок индексов: .

Итак, нам требуется найти число пар и , таких что , причем выполняются три соотношения при . Наше решение задачи состоит из двух этапов:

Утверждение . Пары биективно соответствуют четверкам , таким что , и .

Комментарий . Говоря более развернуто, в Утверждении сказано следующее: у каждой удовлетворяющей условию задачи пары их цифры таковы, как сказано в Утверждении , и обратно, каждая четверка , удовлетворяющая условию Утверждения , ровно одним способом достраивается до пары , удовлетворяющей условию задачи.

Утверждение . Количество четверок , удовлетворяющих условиям Утверждения , есть в точности .

План решения намечен, осталось его осуществить.

Лемма . Всякое интересное число имеет вид:

где и . И обратно, всякая запись такого вида является корректной записью в -ичной системе счисления интересного числа.

Доказательство. Условие, что число является интересным есть , или эквивалентно

Значит, по заданному значению пара восстанавливается не более чем одним способом, иначе число имело бы больше одной записи в -ичной системе счисления. Но заметим, что при подстановке , равенство верно тождественно, кроме того, (за это отвечает условие ), неравенства и очевидно следуют из .

Доказательство утверждения . Пусть и - два интересных числа. Рассмотрим "-ичную запись без переносов" , она конечно же может и не быть правильной -ичной записью, поскольку некоторые из "цифр" могут быть больше ; но она удовлетворяет равенству (), поскольку ему удовлетворяют и . Посмотрим, что происходит, когда мы "вспоминаем", что надо сделать перенос. Если перенос из разряда единиц, то уменьшается на , а увеличивается на , значит всего левая часть () увеличивается на . Аналогично если перенос из разряда - то уменьшается на и увеличивается на , всего левая часть () увеличивается на . Аналогично при переносе из разряда левая часть () уменьшается на . Заметим, что из одного разряда не может быть сделано больше одного переноса: то что стоит в разряде есть сумма двух цифр, плюс возможно единичка, пришедшая из переноса - это точно меньше . Значит, если соотношение (*) выполнялось до всех переносов и выполняется после всех - то либо не было сделано ни одного переноса, либо были сделаны все три. Докажем, что первый вариант невозможен. В самом деле, по Лемме , аналогично . Но если из разряда единиц не было переносов, из разряда его тоже не было (число осталось четырехзначным), тогда сумма цифр в этих разрядах сейчас равна . Но такую сумму двумя цифрами можно набрать единственным образом: . То есть . По Лемме это означает , то есть - тогда из разряда есть перенос - противоречие! Итак, должны осуществиться ровно три переноса. Докажем, что это эквивалентно условию . В разряде единиц стоит - при перенос есть; в разряде стоит (единичка пришла от переноса) - перенос есть тогда и только тогда, когда ; в разряде стоит - при перенос есть, наконец из разряда переноса нет когда он есть из разряда единиц.

Для Утверждения мы приведем комбинаторное доказательство.

Комбинаторное доказательство Утверждения с наводящими соображениями. Напомним, что выражение считает способы расставить в ряд белых и черных шаров. Научимся через такие функции выражать ответы в задачах типа нашей, начнем с более простой.

Поучительный пример . Пусть мы хотим перечислить пары , такие что и . Построим для этого биекцию между такими парами, и расстановками в ряд двух черных и белого шарика следующим образом: для расстановки посчитаем число белых шариков, стоящих правее левого черного шарика (не важно до или после правого черного) - назовем это число ; аналогично посчитаем число белых шаров, стоящих левее правого черного - назовем это число . Очевидно, оба числа лежат в заказанных пределах, притом - каждый белый шарик посчитан хотя бы один раз, те что стоят между черными посчитаны дважды. Оставляем читателю додумать, почему построена именно биекция, то есть по паре можно построить расстановку шариков в ряд, притом ровно одну. Итак, количество таких пар есть в точности .

Поучительный пример . Отлично, усложним задачу. Пусть мы ищем число четверок , таких что , , и наконец . Давайте смотреть на расстановки в ряд четырех черных шаров и белого. Первый черный шар будет отвечать за , второй за , для каждого из них соответствующими числами мы будем называть число белых шаров вправо от них, тогда автоматически получится, что (всякий белый шар, который правее второго слева черного, также правее и первого слева черного). Аналогично третий и четвертый черные шары отвечают за числа и соответственно, причем числа равны количеству белых шаров левее соответствующего черного. Аналогично имеем а также полностью аналогично прошлому примеру. Итак, количество таких четверок есть в точности .

А теперь собственно то, что нам нужно. Напомним: мы ищем число таких четверок , что , , и наконец . Чтобы действовать как в примере нам нужно было бы пересчитать расстановки в ряд черных и белого шара, такие что между первым и вторым черными стоят хотя бы два белых, и между третьим и четвертым черными стоят хотя бы два белых. Сделаем это так: перечислим все расстановки в ряд четырех черных и белых, таких расстановок ровно

Теперь в каждую из расстановок добавим два белых шара между первым и вторым черными, и два белых между третьим и четвертым черными. Оставляем читателю доказать, что построена биекция между множеством всех расстановок четырех черных и белых, и множеством расстановок с приведенным выше дополнительным условием четырех черных и белого.

Заметим, что возможно и чисто алгебраическое доказательство утверждения , которое мы не приводим по двум причинам: во-первых, оно ничем не хорошо по сравнению с комбинаторным, но технически существенно сложнее. Во-вторых, никто из участников, пытавшихся пройти этим путем, к завершению не подошел даже близко

1

A0 Попытка для частных значенийрешить задачу перебором:Найдено коли- чество интересных чисел вместо того, что спрашивалось в задаче:(но на этом пути могут быть получены промежуточные результаты, подпадающие под действие критерияи оцениваемые по нему).

0
2

A3 Доказано, что интересное число задается двумя своими цифрами, получено выражение через эти цифры двух оставшихся и выписаны неравенства, которым должны удовлетворять генерирующие цифры. Например: • дляивыражаются как=,=, причем 1 6$at-1bt-1b-abcab-c-1dt-b-cbct-1b-cbdat-1-dcb+d-tbdt-1b+dt$.

-
3

Подчеркнем, что выражения двух оставшихся цифр без неравенства на две генери- рующие не стяот ничего. B3Доказано,чтоприеслисложениидвухинтересныхчиселполучаетсяинтересное,тоесть переносы хотя бы в двух разрядах:(аддитивно с, итого+=16). Что в этом случае есть все три переноса – не приносит дополнительных баллов.

8
Максимум: 8

Похожие задачи

Высшая проба 2023, 11 класс, задача 6

(20 баллов) Квадратные трёхчлены P(x) и Q(x) с действительными коэффициентами таковы, что в совокупности они имеют 4 различных действительных корня, а также каждый из многочленов P(Q(x)) и Q(P(x)) имеет 4 различных действительных корня. Какое наименьшее количество различных действительных чисел може

Высшая проба 2021, 11 класс, задача 2

(20 баллов) В последовательности чисел 20;21;22;ldots некоторые члены умножили на -1, причем известно, что осталось бесконечно много положительных членов. Докажите, что любое натуральное число представимо в виде суммы нескольких различных членов полученной последоват

Высшая проба 2021, 10 класс, задача 2

(17 баллов) Число x1 случайным образом выбирается на отрезке [0,2] (вероятность того, что x1 попадет в заданный интервал на отрезке [0,2], пропорциональна длине этого интервала). Далее строится последовательность xn, такая, что xn+1=3|xn-1|-1, n

Высшая проба 2022, 11 класс, задача 6

(50 баллов) Фокусник и его Ассистент готовятся показать следующий фокус. Фокуснику завяжут глаза, после чего один из зрителей напишет на доске 60-битное слово (последовательность из 60 нулей и единиц). Ассистент уверен, что сможет незаметно передать фокуснику записку, содержащую 44 бита (не обязател