Условие
В классе 30 учеников, и у каждого из них одинаковое число друзей среди одноклассников. Каково наибольшее возможное число учеников, которые учатся лучше большинства своих друзей? (Про любых двух учеников в классе можно сказать, кто из них учится лучше.)
Ответ: 25.
Решение
Учеников, которые учатся лучше большинства своих друзей, назовем хорошими. Пусть x — число хороших учеников, k — число друзей у каждого ученика. Лучший ученик класса является лучшим в k парах друзей, а любой другой хороший ученик — не менее, чем в [k/2]+1⩾(k+1)/2 парах (здесь квадратные скобки обозначают целую часть числа). Поэтому хорошие ученики являются лучшими не менее чем в k+(x−1)(k+1)/2 парах.
Это число не может превышать числа всех друзей в классе, равного 30k/2=15k. Отсюда k+(x−1)(k+1)/2⩽15k или
x≤28kk+1+1 (1)
Заметим далее, что
k+12≤30−x (2)
поскольку число учеников, лучше которых учится наихудший из хороших, не превышает 30.
Правая часть неравенства (1) возрастает с ростом k, а неравенство (2) равносильно условию
Из (1) и (3) следует, что x≤28∗59−2x60−2x+1, или
Наибольшим целым x, удовлетворяющим (4) и условию x≤30, является x=25. Итак, число хороших учеников не превышает 25, что можно проиллюстрировать на графике.
Покажем, что оно может равняться 25. Занумеруем учеников числами от 1 до 30 в порядке ухудшения успеваемости и расположим номера в таблице 6×5 так, как показано на рисунке.
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
16 | 17 | 18 | 19 | 20 |
21 | 22 | 23 | 24 | 25 |
26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
Пусть пара учеников является парой друзей, если их номера расположены одним из трех способов:
- в соседних строках и в разных столбцах;
- в одном столбце и один из номеров при этом находится в нижней строке;
- в верхней строке.
При этом, как нетрудно проверить все требуемые условия выполнены.