International Mathematics Tournament of Towns

環球城市數學競賽

1999秋季賽 高中組 高級卷  31 Oct. 1999

※ 每題必須詳細寫下證明及理由,只寫答案不一定有分數。

(1) 如果可以將正整數1 , 2 , 3 , …, n 填在圓周上,使得依順時鐘方向任何兩個相鄰的數之和,都能夠被它們的下一個數整除。求n的所有可能值。(三分)

  n= 1,2時成立。當n3時。如果圓周上有二個連續偶數,則被造成這個圓周上的每一個整數都是偶數(不合)。因為圓周上必有一個整數是偶數,而它的逆時鐘方向的下二個數及順時鐘方向的下個數,都必須是奇數。由於1∼n中,而且奇數的個數都是奇數,奇數的個數最多比偶數的個數多1個,所以圓周上最多只有一個偶數,這樣奇數有2個,所以n最多是3,1, 2, 3這個數任意排在圓周上都可以,所以n=1, 2, 3。

(2)在一張矩形紙片上有一些黑點:(a)當所有黑點共線;(二分)
                    (b)任意三黑點。(三分)
 試著將這張紙沿直線摺幾次,但摺線不可以通過任何黑點。然後,使用細針插進摺好的紙,使得針只穿過所有的黑點,但不能穿過其它的點。求證:在(a)和(b)二種情況下,上述穿法必能成功做到。

  (a)設矩形紙上有共線的個點,依序取名為。令的垂直平分線為,。我們沿著依扇子折疊法,一正一反對折紙張後,此時這n個點都會重合,而且n – 1條直線把平面分成n部份,所以一針插過黑點,它們穿過所有的黑點,但不會穿過其它的點。
   (b)白紙上任三點A,B,C(如圖一),我們可以在B、C點附近各任取異於B、C點之點,使得與間之距離不大於d,且直線不與及其內部相交。以為對稱軸,取直線之鏡像直線與間之距離亦不大於d。
   設直線與矩形之二邊交點為x,y。不失一般性,令與交於x;與交於y。摺疊紙片,將點O,x重合,取出中點,將點O,y重合,取出中點。將紙片沿直線對摺,則O點將落在直線上。再對摺紙片將與重合,得出摺線,再繼續將與重合,……一直依此方式繼續下去,總可以使與之距離小於d,這時與之間是一疊非常細窄的一疊“紙帶”,最後將這疊紙帶沿直線向方向對摺。
   同樣,也可以在的、邊上作上述同樣的動作。此時,則原紙片變成及外部三條非常細窄的紙帶,其寬度要多小就可以多小,我們差不多可以忽略不計。這時(1)如果不是正三角形或等腰三角形,則總可以將最短邊上的二端點對摺重合,如圖二,不失一般性,假設,為摺痕,則,,,因為,得,故C點會落在之外部。

(3)小唐和小夏輪流構造一個數列,首先任給一個正整數作為首項,由小唐開始增添新項,他選擇的方法是將前一項的數值加上該數的某一位數字(例如:首項是234,小唐可選234+2或234+3或234+4);接著換小夏,他選擇的方法是將小唐新添的數值減去該數的某一位數字(例如:小唐選的數是237,則小夏可選237-2或237-3或237-7),如此不停地輪流構造下去。求證:有一個整數會在這數列中至少出現100次。(六分)

(一)如果希望某數在此數列出現100次,則我們該如何去解題呢?
小承:希望這個數列有上界,即存在一個,使得
   (事實上只需要此數列的某個無限子數列有上界即可)
   我們從題目知,道小唐添的項是偶數項,其中,x是中的某數字,。小夏添的項是奇數項其中,y是中的某數字,。
(二)我們可以找集合其中,如果數列中任何項都不會大於Z,則有上界。
   如果數列中某一項超過Z。由於每一項最多比前一項多9,而A集合有連續9個數,所以它或者它的前面有一項,則我們要證明存在一個使得。
(三)如果是n位數,則令。(如果,Z取位數即可)。
   令





  如果數列中,輪到小唐添新項會屬於;輪到小夏添新項會屬於。
  如果數列中,輪到小唐添新項會屬於;輪到小夏添新項會屬於。
   如果數列中,則必須輪到小夏,小夏添新項會屬於;由上述論證數列永遠屬於。所以Z + 9是它們的上界。
小君:令,我們可以令





則集合A,B,C關係和你一樣,所以同理可證。

小淳:跟你的想法一樣只不過,這也是一種正確答案。

(4)有n個砝碼,它們的質量分別為1,2,3,…,n克,在所有可以的方法中,打算從兩邊各拿掉兩個砝碼,而不影響平衡。
  (a) 求證當n=100時,一定能成功。(四分)
  (b) 當時,是否對所有的n值都保證能成功?(四分)

小承:我的想法是:將這n個砝碼分成二組放在天平的兩邊,使它們平衡,不失一般性,設1在左邊,左邊的砝碼都標L,右邊的砝碼都標R。
   把所有砝碼拿出來,按輕重從小到大排成一列,成為一個L,R的序列其中。把這個序列分成數段(至少2段),每段的標號L或R都相同,但和下一段不同。
   (i)只分成二段,因為任取四個砝碼及則

(ii)       如果分為三段 中間的段落至少有二個 因此取左圖中的四個砝碼:     則

(iii)     如果分成四段,且形如
則同(ii) (iv)     分成四段,且
因為任取四個砝碼及則

(v)       如果分成5段以上,則必形如
則取右圖中的四個砝碼即可

如果是(i)則有
如果是(iv)         (*)

  (1)n=100,因為不可能是(i)及(iv)。 即不存在k使得(*)式成立得證。
   故只能是(i)(ii)(iii),即必可以。
   (2)討論一般的n。取n=20, k=14則可能分成(i)的狀況,所以可能使左右各拿掉2個砝碼使得仍舊平衡。

(5)在一個很大的棋盤上,其中有個小方格被塗上紅色,而這個小方格排列的方式,可讓一枚只能夠橫走或直走的棋子,從任一紅色格子不用穿過沒有塗色的格子,便能在數步移動後,到達任何其它的紅色格子。求證可以將這個紅色格子分割為n個矩形(包括正方形)。(八分)

  一個紅色小方格和它的上、下、左、右的紅色小方格稱為它們相鄰令T為一堆紅色小方格所組成的集合。從任何T中一個紅色小方格開始,每次都可以從任一紅色格子移動與其相鄰的紅色小格子,能在數步移動後,到達任何其它的紅色格子。我們稱T為連通。
   題目的意思是指這個紅色小方格形成一個連通部份。我們將證明一個更一般的定理。 定理:題目�堣j棋盤中的小方格改成或小方格,結果一樣可以分割成n個矩形。
   證明:我們將用數學歸納法證明上述兩種情形同時成立。
   當n=1時,顯然成立。
   假設時,題目是成立。
   當n = k + 1時,我們將把個紅色小方格分成兩個連通的子集合,它們分別有2s與2(k + 1 - s),由假設可知它們可以被分為 s 和(k - s ) + 1個小矩形,所以共有k + 1小矩形。
   (a)我們首先考慮棋盤上有個連通紅色小方格,我們拿掉某一小方格A,剩下的2k個紅色小方格如果

(1)它們還是連通的,加上紅色小方格A,我們將把個紅色小方格分成兩個連通的子集合,得證。

(2)如果它們可以被分成m個()連通部份,則我們把這2k + 1塊分成二塊,一塊是,另外是全部扣除。得證。

  由(i),(ii)及數學歸納法可得知。2n - 1個連通小方格可以被分割成n個小矩形。


   (b)       考慮2n = 2(k + 1)情形。

(1)存在有一個紅色小方格A,它恰有2個紅色小方格相鄰,令其為B , C,剪掉紅色小方格A,我們考慮剩下的2k + 1個紅色小方格。
(i)它們形成兩個連通部分,則其中有一個連通部分有奇數個紅色小方格,一個連通部分有偶數個紅色小方格,奇數連通部分連集A仍然是連通的。這樣我們得到2塊連通部分得證。
(ii)    它們形成一個連通部分,再剪掉紅色小方格B,我們考慮剩下的2k個紅色小方格中包含C的連通部分,如果它們包含偶數個紅色小方格,則剩下的紅色小方格也是連通的;否則將其連集A會形成一個連通部分則

(6)假設一個凸多面體有10n個面,求證其中至少有n個面,它們的邊數都相同。(八分)

  假設這10n個面的凸多面體中有v個頂點,e條邊,令它有k邊的面之個數為,由於面的一邊必有2個不同的面所共有,每一個頂點至少被3個面共用,所以

由歐立公式我們有

  如果10n個凸多面體沒有相同邊數的n個面,則它的邊數 這與不合。
   所以至少有n個相同邊數的面。