Задача № 1666089, 10, 11 классы5 / 5

Червяки и их раскладки: комбинаторная геометрия

Рассмотрим на клетчатой плоскости такие ломаные с началом в точке (0,0)(0,0) и вершинами в точках с целыми координатами, что каждое очередное звено идет по сторонам клеток либо вверх, либо вправо. Каждой такой ломаной соответствуетчервяк — фигура, состоящая из клеток плоскости, имеющих хотя бы одну общую точку с этой ломаной. Докажите, что червяков, которых можно разбить на двуклеточные доминошки ровно n>2n>2 различными способами, столько же, сколько натуральных чисел, меньших nn и взаимно простых с nn. (Червяки разные, если состоят из разных наборов клеток.)

Разобрать решение

Каждой ломаной, звенья которой идут только вверх и вправо, соответствует слово — последовательность букв UU (вверх) и RR (вправо). Пусть ww — любое слово и пусть W(w)W(w) — червяк, соответствующий ломаной, закодированной с помощью ww. Также обозначим за D(w)D(w) количество способов разбить червяка W(w)W(w) на доминошки.

Лемма. Выполняются следующие реккурентные соотношения: \begin{alignat*}2 D(wUU) &= D(wU) + D(w), &\quad D(wRR) &= D(wR) + D(w),\ D(wUR) &= 2D(wU) - D(w), &\quad D(wRU) &= 2D(wR) - D(w). \end{alignat*}

Доказательство.

Для доказательства первого соотношения рассмотрим доминошку, которая покрывает самую правую из самых верхних клеток W(wUU)W(wUU). Если она горизонтальна, то оставшийся червяк совпадает с W(wU)W(wU). Если же она вертикальна, то клетка слева от нее также может быть покрыта только вертикальной доминошкой, и тогда червяк, который остался не покрыт, совпадает с W(w)W(w).

Второе соотношение получается аналогично.

Для доказательства третьего соотношения снова рассмотрим доминошку, которая покрывает самую правую из самых верхних клеток в червяке W(wUR)W(wUR). Если она вертикальна, то оставшийся червяк совпадает с W(wU)W(wU). Если же она горизонтальна, то под ней и слева от нее по одной доминошке определяются однозначно (горизонтально и вертикально соответственно).

Обозначим фигуру, остающуюся после удаления этих трех доминошек, через Φ\Phi (эта фигура может и не быть червяком). Количество способов разбить фигуру Φ\Phi на доминошки равно разности D(wUR)−D(wU)D(wUR)-D(wU). Рассмотрим теперь червяка W(wU)W(wU) и его доминошку, которая покрывает самую правую из самых верхних клеток. Если она горизонтальна, то оставшийся червяк совпадает с W(w)W(w). Если же она вертикальна, то слева от нее расположена еще одна вертикальная. Заметим, что если удалить эти две вертикальные доминошки, то остается в точности фигура Φ\Phi. Таким образом, разность D(wU)−D(w)D(wU)-D(w) тоже равна числу способов разбить фигуру Φ\Phi на доминошки.

Равенство D(wUR)−D(wU)=D(wU)−D(w)D(wUR)-D(wU)=D(wU)-D(w) равносильно третьему соотношению.

Четвертое соотношение доказывается аналогично.

Доказательство леммы закончено.

Теперь пусть nn — натуральное число, и пусть W(w)W(w) — червяк, которого можно разбить на доминошки nn различными способами. Пусть w=w1w2…wℓw = w_1w_2\ldots w_\ell — разбиение ww на буквы. Рассмотрим последовательность \begin{align*} D(‟”),\ D(w_1),\ D(w_1w_2),\ \ldots,\ D(w_1w_2\ldots w_{\ell - 1}) = m, \ D(w_1w_2\ldots w_\ell) = D(w) = n. \end{align*} (Через ‟” обозначено пустое слово: соответствующий ему червяк является квадратом 2×22 \times 2, для которого D(‟”)=2D(‟”)= 2.)

По лемме, если aa и bb — два последовательных члена этой последовательности, то следующий член равен или a+ba + b, или 2b−a2b - a. Давайте разберем некоторые свойства этой последовательности.

Так как D(‟”)=2D(‟”) = 2 и D(U)=D(R)=3D(U) = D(R) = 3, два первых члена любой последовательности равны двум и трем соответственно. По индукции легко видеть, что любые два последовательных члена этой последовательности взаимно просты. Кроме того, для двух последовательных членов aa, bb этой последовательности a<b<2aa < b < 2a.

С другой стороны, по данным взаимно простым mm и nn таким, что m<n<2mm < n < 2m, мы можем построить ровно одну такую последовательность, что mm и nn — ее последние члены.

В самом деле, если 3m<2n3m < 2n, то предыдущий член должен быть равен n−mn- m, поскольку 2(2m−n)<m2(2m - n) < m, а если 3m>2n3m > 2n, то предыдущий член последовательности должен быть равен 2m−n2m - n, поскольку 2(n−m)<m2(n - m) < m. Продолжая этот процесс, в конечном счете мы придем к 3 и 2, завершая последовательность.

Для данной последовательности есть ровно два червяка, которые удовлетворяют ей. Первая буква w1w_1 слова ww может быть выбрана любой, но все следующие буквы восстанавливаются однозначно.

Таким образом, каждой паре взаимно простых чисел mm и~nn, для которых выполнено m<n<2mm < n < 2m, соответствует ровно два червяка, которых можно разбить на доминошки ровно nn способами. При этом количество чисел, меньших nn и взаимно простых с nn, также ровно вдвое больше количества пар mm и nn, поскольку каждое такое число равно либо mm, либо n−mn - m. Значит, червяков, которые можно разбить на двуклеточные доминошки ровно nn различными способами, столько же, сколько натуральных чисел, меньших nn и взаимно простых с nn.

Комментарий. Факт, который требовалось доказать в задаче, является побочным результатом научной статьи И. Чанакчи и Р. Шиффлера, в которой исследуется связь между кластерными алгебрами и цепными дробями.

Обсуждение

0

Комментариев пока нет.

Чтобы оставить комментарий, войдите в аккаунт.

Версии задачи

Выберите доступную версию задачи. Текущая версия отмечена в списке.

Сообщить об ошибке

Опишите неточность в условии, ответе или решении задачи № 166608.

Старый дизайн