Задача из журнала «Квант» (2000 год, 3 выпуск) М1707*

Условие

Квадрат клетчатой бумаги, состоящий из $n\times n$ клеток, разрезан на $2n$ прямоугольников. При этом каждый прямоугольник расположен либо целиком ниже, либо выше ступенчатой ломаной, разделяющей квадрат (рис.1). Докажите, что найдется клетка клетчатой бумаги, являющаяся одним из названных прямоугольников.

Рис. 1

Решение

Ступенчатая ломанная разрезает квадрат на два ступенчатых треугольника $T_1$ и $T_2$, при этом основание $T_1$ состоит из $n$ клеток, а основание $T_2$ – из $n – 1$ клетки. В силу условия задачи, один из них разрезан на $m$, а другой – на $k$ прямоугольников, причем $m + k = 2n$. Пока что фиксируем внимание на отдельно взятом ступенчатом треугольнике $T$, в основании которого $s$ клеток (рис.2). Так как при разрезании $T$ на прямоугольники любые две точки из набора $A_1, A_2, \ldots, A_s$ должны принадлежать разным прямоугольникам, можно заключить, что $T$ нельзя разрезать на менее чем $s$ прямоугольников.

Рис. 2

Разберем далее тот случай, когда $T$ разрезан в точности на s прямоугольников; тогда каждая из точек $A_1, A_2 , \ldots, A_s$ принадлежит только одному из них и, более того, каждая из $s$ закрашенных клеток принадлежит целиком только одному из $s$ прямоугольников. Не закрашенных клеток, примыкающих по сторонам к закрашенным, на единицу меньше, чем закрашенных, поэтому хотя бы один из $s$ прямоугольников не выйдет за пределы своей заштрихованной клетки, т.е. будет с ней совпадать. Возвращаясь к ступенчатым треугольникам $T_1$ и $T_2$, можно сказать, что $m \geq n$, а $k \geq n-1$. Но так как $m + k = 2n$, то либо $m = n$, либо $k = n – 1$. Значит, либо в $T_1$, либо в $T_2$ найдется прямоугольник, совпадающий с клеткой клетчатой бумаги.

В.Произволов

М1716. Тетрадь в клетку

Задача из журнала «Квант» (2000 год, 1 выпуск)

Условие

В квадрате клетчатой бумаги размером $n\times n$ клеток отмечены $N$ клеток таким образом, что каждая клетка квадрата (отмеченная или не отмеченная) имеет хотя бы одну отмеченную соседнюю клетку. Определите наименьшее возможное значение $N$, если соседними считать клетки, имеющие общую сторону.

Решение

Рассмотрим случай четного $n$.

Сначала раскрасим доску в черный и белый цвета в шахматном порядке. Пусть $f\left(n\right)$ — это искомое число, а $f_{\omega}\left(n\right)$ — минимальное число белых клеток, которые должны быть отмечены таким образом, чтобы каждая черная клетка имела соседнюю отмеченную белую. Определим подобным образом $f_{b}\left(n\right).$ Благодаря симметричности шахматной доски $\left(n = 2k\right)$, мы имеем $f_{\omega}\left(n\right) = f_{b}\left(n\right)$; кроме этого, $f\left(n\right) = f_{\omega}\left(n\right) + f_{b}\left(n\right)$.

Было бы более удобно посмотреть на доску, развернув ее таким образом, чтобы главная черная диагональ (самая длинная) располагалась горизонтально. Тогда длины остальных черных диагоналей были бы $2, 4, \ldots, 2k, \ldots, 4, 2.$

Зачеркнем «нечетные» клетки белых диагоналей, расположенных под черными диагоналями длины $4i — 2$ в первом случае и под черными диагоналями длины $4i + 2$ во втором случае (см. рисунок).

m1716

В первом случае зачеркнутыми окажутся $2i$ белых клеток, а во втором случае $2i + 1$ белых клеток. Таким образом, всего мы зачеркнем
$$2 + 4 + \ldots + k + \ldots + 3 + 1 = \frac{k\left(k+1\right)}{2}$$
белых клеток. Легко видеть, что каждая черная клетка имеет белую зачеркнутую соседнюю клетку. Из этого следует, что
$$f_{\omega}\left(n\right) \leqslant \frac{k\left(k+1\right)}{2}.$$

Рассмотрим $\displaystyle\frac{k\left(k+1\right)}{2}$ зачеркнутых белых клеток: у них нет общих черных соседних клеток, следовательно, нам нужно по крайней мере $\displaystyle\frac{k\left(k+1\right)}{2}$ черных отмеченных клеток с тем, чтобы «охватить» все эти белые клетки. Поэтому
$$f_{b}\left(n\right) \geqslant \frac{k\left(k+1\right)}{2}.$$
Отсюда мы имеем
$$f_{\omega}\left(n\right) = f_{b}\left(n\right) = \frac{k\left(k+1\right)}{2},$$
$$f\left(n\right) = k\left(k+1\right).$$

Аналогично доказывается, что
\begin{equation*}
f\left(n\right) =
\begin{cases}
4k^2 — 1 &\text{при $n = 4k — 1$,}\\
\left(2k + 1\right)^2 &\text{при $n = 4k + 1$.}
\end{cases}
\end{equation*}

Е. Баранов, И. Воронович

M1489

Для каких прямоугольников m\times n на клетчатой бумаге, в клетках которых расставлены нули и единицы, можно получить из любой расстановки любую другую, если разрешается изменять числа одновременно в каждой строке, каждом столбце и на каждой прямой, параллельной диагоналями клеток (в частности, в угловых клетках)?

Решение: это всегда возможно для прямоугольников m\times n , лишь если m и n не больше 3. поскольку операцию можно выполнять в обратном порядке, достаточно выяснить, для каких таблиц m\times n из любой расстановки можно получить таблицу из одних едениц.
Легко видеть, что для прямоугольников 1\times n , 2\times n и 3\times n заменами знаков можно получить таблицу из одних единиц: на рисунке 1 указан порядок, в котором нули, стоящие в некоторых клетках, можно заменить на единицы(цветные линии показывают какой именно — вертикальный или диагональный — «ход» следует делать).
С другой сторны, в прямоугольнике m\times n , где m и n не меньше 4, можно выделить фигуру из восьми клеток, показанных на рисунке 2 штриховкой; четность количества единиц не меняется в этих клетках при всех разрешенных преобразованиях — является, как говорят, инвариантом. Таким образом, если в одной из таких фигур стоит нечетное число единиц, то прийти к таблице заполненной единицами, невозможно.
Представляем читателям выяснить, образуют ли такие таблицы из 8 клеток полную систему инвариантов, также следует ли из четности количества единиц в каждой из них возможность преобразовать таблицу в состояние «все единицы», а заодно выяснить, сколько существует классов (неэквивалентных друг другу) таблиц относительно разрешенных в условии преобразований.
А.Галочкин

M1489