Vietnam TST 2023/6

Trong bài này tôi giới thiệu một lời giải của bài 6 trong đề thi chọn đội tuyển IMO 2023. Đây là lời giải của tác giả bài toán, không phải lời giải của tôi. Nếu có chỗ sai trong lời giải dưới đây thì đó là lỗi của tôi.

Với mỗi số nguyên dương $m$ , ký hiệu $[m]$ là tập gồm $m$ số nguyên dương đầu tiên.

Bài toán (Vietnam TST 2023/6). Cho số nguyên $n>2$ . Xác định số $k_n$ lớn nhất sao cho với mỗi họ $k_n$ tập con có $3$ phần tử của $[n]$ , luôn tô màu được các phần tử của $[n]$ bởi hai màu để không có tập con nào trong họ có ba phần tử cùng màu.

Lời giải. Với $n=3$ và $n=4$ thì $k_n=C_n^3$ , bởi vì ta có thể tô $2$ phần tử của $[n]$ xanh và $n-2 \leq 2$ phần tử còn lại màu đỏ và không có tập con ba phần tử cùng màu nào cả.

Với $n \geq 5$ thì $k_n \leq 9$ , bởi vì với $10$ tập con có $3$ phần tử của $[5]$ thì với mọi cách tô màu các phần tử $[5]$ bởi $2$ màu luôn có $3$ phần tử cùng màu. Với $n=5$ thì $k_5=9$ , vì với $9$ tập con $3$ phần tử tùy ý luôn có $1$ tập con $3$ phần tử không được chọn, ta có thể tô màu $3$ phần tử này màu xanh và $2$ phần tử còn lại màu đỏ, cách tô màu này thỏa mãn bài toán. Với $n=6$ , ta cũng có $k_6=9$ , vì ta có thể chia $20$ tập con $3$ phần tử của $[6]$ thành $10$ cặp, mỗi cặp là $2$ tập con bù nhau. Với $9$ tập con $3$ phần tử tùy ý của $[6]$ , luôn có $1$ cặp $(A, B)$ mà $A,$ $B$ không được chọn, ta tô $3$ phần tử của $A$ xanh, $3$ phần tử của $B$ đỏ và cách tô màu này thỏa mãn bài toán.

Mệnh đề 1. Với $n\geq 7$ thì $k_n \leq 6$ .

Chứng minh. Tồn tại $7$ tập con có $3$ phần tử của $[7]$ đôi một chung nhau không quá $1$ phần tử. Thật vậy, biểu diễn $1$ , $2, \ldots$ , $7$ là $7$ đỉnh một $7-$ giác đều. Chọn $B_1=\{1,2,4\}$ và $B_i$ là ảnh của $B_1$ quanh tâm đa giác với góc $\frac{2 \pi}{7} \times(i-1)$ . Rõ ràng các $B_i$ (như một tam giác) đôi một không có cạnh chung.

Giả sử tô màu được các phần tử của $[7]$ bởi $2$ màu sao cho không có $B_i$ nào có các phần tử cùng màu. Khi đó mỗi $B_i$ có đúng $2$ cạnh mà $2$ đỉnh của chúng khác màu. Suy ra ta có một đồ thị lưỡng phân $G[X,Y]$ , với $X$ là tập các phần tử xanh và $Y$ là tập các phần tử đỏ, có $14$ cạnh. Điều này không thể xảy ra vì $\mid X\mid +\mid Y\mid =7$ . $\Box$

Mệnh đề 2. Với $n \geq 5$ thì $k_n \geq 6$ .

Chứng minh. Ta chứng minh bằng qui nạp theo $n$ . Theo phần trình bày ở trên thì mệnh đề đúng với $n=5$ và $n=6$ . Với $n \geq 7$ , ta xét một họ gồm $6$ tập con có $3$ phần tử của $[n]$ . Tồn tại hai phần tử $a$ và $b$ của $[n]$ sao cho chúng không cùng thuộc một tập của họ này, vì $C_7^2=21>6 \times C_3^2=18$ . Bỏ $a$ , $b$ và thêm $c$ vào $[n]$ , ta có một cách tô màu thỏa mãn bài toán theo giả thiết quy nạp. Bỏ $c$ và cho lại $a, b$ về tập $[n]$ , sau đó tô màu $a$ và $b$ bởi màu của $c$ , ta có cách tô màu thỏa mãn bài toán. $\Box$

Từ mệnh đề 1 và mệnh đề 2, ta có $k_n=6$ khi $n \geq 7$ . $\Box$

IMO Shortlist 2022: Combinatorics

Trong bài này tôi sẽ dịch phần Tổ hợp trong cuốn IMO Shortlist 2022. Các năm trước bạn có thể tìm ở đường dẫn https://nttuan.org/2023/07/02/isl/.

Phần Hình của năm 2022 tôi đã dịch ở đây

IMO Shortlist 2022: Geometry

C1. Một $\pm 1$ -dãy là một dãy gồm $2022$ số $a_1, \ldots, a_{2022},$ mỗi số bằng $+1$ hoặc $-1$ . Tìm số $C$ lớn nhất sao cho, đối với bất kỳ dãy $\pm 1$ nào, tồn tại một số nguyên $k$ và các chỉ số $1 \le t_1 < \ldots < t_k \le 2022$ để $t_{i+1} - t_i \le 2$ với mọi $i$ , và $\displaystyle \left| \sum_{i=1}^{k} a_{t_i} \right| \ge C.$

C2. Ngân hàng Oslo phát hành hai loại tiền xu: nhôm (ký hiệu là $A$ ) và đồng (ký hiệu là $B$ ). Alpha có $n$ đồng xu nhôm và $n$ đồng xu đồng được sắp xếp thành một hàng theo thứ tự ban đầu tùy ý. Một chuỗi là bất kỳ dãy con nào các đồng xu liên tiếp có cùng loại. Cho một số nguyên dương cố định $k \leq 2n$ , Beta lặp đi lặp lại thao tác sau: anh ta xác định chuỗi dài nhất chứa đồng xu thứ $k$ từ bên trái và di chuyển tất cả đồng xu trong chuỗi đó sang đầu bên trái của hàng. Ví dụ: nếu $n=4$ và $k=4$ , quá trình bắt đầu từ $AABBBABA$ sẽ là

$AABBBABA \to BBBAAABA \to AAABBBBA \to BBBBAAAA \to ...$

Tìm tất cả các cặp $(n,k)$ với $1 \leq k \leq 2n$ sao cho với mỗi cách xếp các đồng xu lúc đầu, tại một thời điểm nào đó trong quá trình, $n$ đồng xu ngoài cùng bên trái có cùng loại.

C3. Trong mỗi ô vuông của một khu vườn có dạng bảng ô vuông cỡ $2022 \times 2022$ , ban đầu có một cái cây cao $0$ . Một người làm vườn và một thợ đốn gỗ thay phiên nhau chơi trò chơi sau, người làm vườn sẽ chơi ở lượt đầu tiên:

(1) Người làm vườn chọn một ô vuông trong vườn. Sau đó mỗi cây trên ô vuông đó và tất cả các ô vuông xung quanh trở thành cao hơn một đơn vị.

(2) Người thợ đốn gõ chọn bốn ô vuông khác nhau trong vườn. Sau đó mỗi cây có chiều cao dương trên các ô vuông đó sẽ trở thành thấp hơn một đơn vị.

Ta nói rằng một cái cây là hùng vĩ nếu chiều cao của nó ít nhất là $10^6$ . Tìm số $K$ lớn nhất sao cho người làm vườn có thể đảm bảo cuối cùng sẽ có $K$ cây hùng vĩ trong vườn, bất kể người thợ đốn gỗ chơi như thế nào.

C4. Cho một số nguyên $n > 3$ . Giả sử rằng $n$ đứa bé được sắp xếp thành một vòng tròn và $n$ đồng xu được phân phát cho chúng (một số bé có thể không có đồng xu nào). Ở mỗi bước, bé có ít nhất $2$ đồng xu có thể đưa $1$ đồng xu cho mỗi bé ngay bên phải và bên trái của mình. Hãy tìm tất cả các cách phân phát các đồng xu ban đầu sao cho sau một số hữu hạn bước, mỗi bé có đúng một đồng xu.

C5. Cho $m,n \geqslant 2$ là các số nguyên, $X$ là một tập hợp có $n$ phần tử, và $X_1$ , $X_2$ , $\ldots$ , $X_m$ là các tập hợp con khác rỗng phân biệt của $X$ . Một hàm $f \colon X \to \{1,2,\ldots,n+1\}$ được gọi là tốt nếu tồn tại một chỉ số $k$ sao cho $\displaystyle\sum_{x \in X_k} f(x )>\sum_{x \in X_i} f(x), \quad \forall i \ne k.$ Chứng minh rằng số hàm tốt ít nhất là $n^n$ .

C6. Cho $n$ là một số nguyên dương. Chúng ta bắt đầu với $n$ đống sỏi, mỗi đống ban đầu chỉ chứa một viên sỏi. Người ta có thể thực hiện các bước di chuyển theo hình thức sau: chọn hai đống, lấy một số viên sỏi bằng nhau từ mỗi đống và tạo thành một đống mới từ những viên sỏi này. Tìm, theo $n$ , số nhỏ nhất các đống sỏi khác rỗng mà một người có thể thu được bằng cách thực hiện một dãy hữu hạn các bước di chuyển có dạng này.

C7. Lucy bắt đầu bằng cách viết $s$ bộ $2022$ số nguyên lên bảng đen. Sau khi làm điều đó, cô ấy có thể lấy hai bộ bất kỳ (không nhất thiết phải khác nhau) $\mathbf{v}=(v_1,\ldots,v_{2022})$ và $\mathbf{w}=(w_1,\ldots,w_{ 2022})$ mà cô ấy đã viết và áp dụng một trong các thao tác sau để lấy bộ mới:

$\mathbf{v}+\mathbf{w}=(v_1+w_1,\ldots,v_{2022}+w_{2022})$

$\mathbf{v} \lor \mathbf{w}=(\max(v_1,w_1),\ldots,\max(v_{2022},w_{2022}))$

rồi viết bộ này lên bảng. Sau hữu hạn bước, theo cách này, Lucy có thể viết bất kỳ bộ $2022$ số nguyên nào lên bảng. Số $s$ nhỏ nhất có thể là bao nhiêu?

C8. Cho $n$ là một số nguyên dương. Hình vuông Bắc Âu là một bảng ô vuông $n \times n$ chứa tất cả các số nguyên từ $1$ đến $n^2$ sao cho mỗi ô chứa đúng một số. Hai ô khác nhau được gọi là kề nếu chúng có chung một cạnh. Mỗi ô chỉ kề với các ô chứa số lớn hơn được gọi là thung lũng. Đường lên dốc là một dãy gồm một hoặc nhiều ô sao cho các điều kiện sau được thỏa mãn đồng thời:

(i) ô đầu tiên trong dãy là một thung lũng,

(ii) mỗi ô tiếp theo trong dãy kề với ô trước đó,

(iii) các số trên các ô trong dãy lập thành một dãy tăng theo thứ tự.

Tìm, theo $n$ , số nhỏ nhất đường lên dốc có thể có trong một hình vuông Bắc Âu.

C9. Xét các song ánh $f:\mathbb N\times \mathbb N \to \mathbb N$ có tính chất: mỗi khi $f(x_1,y_1) > f(x_2, y_2)$ , thì $f(x_1+1, y_1) > f(x_2 + 1, y_2)$ và $f(x_1, y_1+1) > f(x_2, y_2+1)$ . Gọi $k$ là số cặp số nguyên $(x,y)$ sao cho $0\le x,y<100$ và $f(x,y)$ is số nguyên lẻ. Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của $k$ .

Graph theory: Basic definitions

Đây là bài thứ hai của tôi về lý thuyết đồ thị. Các bạn có thể xem bài trước ở

[1] https://nttuan.org/2023/08/13/graph01/

Với mỗi tập hợp $X,$ ký hiệu $[X]^2$ là tập gồm tất cả các tập con có $2$ phần tử của $X.$

Định nghĩa 1. Một đồ thị là một cặp $G=(V,E)$ các tập hợp sao cho $E\subset [V]^2.$

Như vậy, các phần tử của $E$ là các tập con có $2$ phần tử của $V.$ Các phần tử của $V$ được gọi là các đỉnh của đồ thị $G,$ các phần tử của $E$ được gọi là các cạnh của $G.$ Đồ thị có tập các đỉnh $V$ được gọi là đồ thị trên $V$ . Cách thông thường để vẽ một đồ thị là mỗi đỉnh biểu thị bởi một dấu chấm và nối hai trong các dấu chấm này bởi một đường cong nếu hai đỉnh tương ứng tạo thành một cạnh.

Trong hình trên ta có một đồ thị trên $V=\{1,2,\ldots,6\}$ với tập cạnh $E=\{\{1;2\},\{2;3\},\{6;5\},\{2;4\}\}.$ Khi vẽ một đồ thị ta không quan tâm các đỉnh hay cạnh được vẽ thế nào, điều quan trọng duy nhất ở đây là hai đỉnh nào được nối với nhau. Tập các đỉnh của một đồ thị $G$ được ký hiệu bởi $V(G),$ trong khi tập cạnh của nó được ký hiệu bởi $E(G).$ Ta thường không phân biệt đồ thị và tập cạnh hoặc tập đỉnh của nó. Chẳng hạn, ta có thể nói đỉnh $v$ thuộc $G$ (thay vì $v\in V(G)),$ một cạnh $e$ của $G,$ …

Số đỉnh của $G$ được gọi là cấp của nó, ký hiệu bởi $\mid G\mid$ . Một đồ thị $G$ được gọi là hữu hạn nếu $V(G)$ và $E(G)$ là hai tập hữu hạn, vô hạn nếu $V(G)$ hoặc $E(G)$ là một tập vô hạn. Trong bài giảng này ta chỉ xét các đồ thị hữu hạn. Khi $\mid G\mid =0$ ta gọi $G$ là đồ thị rỗng, ký hiệu $\emptyset.$ Nếu cấp của $G$ bằng $n$ thì ta cũng nói $G$ là đồ thị trên $n$ đỉnh.

Định nghĩa 2. Cho một đồ thị $G.$ Đỉnh $v$ của $G$ được gọi là đầu mút của một cạnh $e$ của $G$ nếu $v\in e.$ Nếu hai đầu mút của một cạnh $e$ là $x$ và $y$ thì ta nói $e$ nối $x$ và $y,$ hoặc $e$ kề với hai đỉnh $x$ và $y$ .

Một cạnh $\{x;y\}$ thường được viết là $xy$ hoặc $yx.$

Định nghĩa 3. Cho một đồ thị $G$ . Hai đỉnh $x$ và $y$ của $G$ được gọi là kề nhau nếu $\{x;y\}$ là một cạnh của $G.$ Trong trường hợp đó ta nói $x$ và $y$ là láng giềng của nhau.

Với mỗi đỉnh $x,$ tập gồm tất cả các đỉnh kề với $x$ được ký hiệu là $N(x)$ hoặc $N_G(x).$ Hai cạnh phân biệt $e$ và $f$ của $G$ được gọi là kề nhau nếu chúng có chung một đầu mút. Nếu tất cả các đỉnh của $G$ là đôi một kề nhau ta nói $G$ là một đồ thị đầy đủ. Một đồ thị đầy đủ trên $n$ đỉnh được ký hiệu bởi $K_n$ . $K_3$ được gọi là tam giác. Một cặp các đỉnh hay cạnh được gọi là độc lập nếu chúng không kề nhau.

Định nghĩa 4. Cho hai đồ thị $G=(V,E)$ và $G^{\prime}=(V^{\prime},E^{\prime}).$ Một ánh xạ $\varphi: V\to V^{\prime}$ được gọi đồng cấu từ $G$ đến $G^{\prime}$ nếu nó bảo toàn quan hệ kề giữa các đỉnh, nghĩa là $\varphi (x)$ và $\varphi (y)$ kề nhau mỗi khi $x$ và $y$ kề nhau. Nếu đồng cấu $\varphi$ từ $G$ đến $G^{\prime}$ là một song ánh và $\varphi^{-1}$ cũng là một đồng cấu, thì ta nói $\varphi$ là một đẳng cấu hoặc $G$ và $G^{\prime}$ là đẳng cấu.

Ta không phân biệt các đồ thị đẳng cấu, vì thế ta thường viết $G=G^{\prime}$ để chỉ $G$ và $G^{\prime}$ đẳng cấu. Trong một số trường hợp ta cũng nói $G^{\prime}$ là một bản sao của $G$ .

Continue reading →

Seven bridges of Konigsberg

Tôi sẽ dịch một đoạn trong bài Leonard Euler’s Solution to the Konigsberg Bridge Problem của Teo Paoletti. Khi tình cờ gặp bài viết này tôi đã quyết định sử dụng nó làm bài mở đầu trong bài giảng về lý thuyết đồ thị của tôi.

Câu chuyện của chúng ta bắt đầu vào thế kỷ 18, tại thị trấn cổ kính Konigsberg, Phổ, bên bờ sông Pregel. Năm 1254, các hiệp sĩ Teutonic thành lập thành phố Konigsberg dưới sự lãnh đạo của Vua Bohemian Ottoker II sau cuộc thập tự chinh thứ hai chống lại quân Phổ. Vào thời Trung cổ, Konigsberg đã trở thành một thành phố và trung tâm thương mại rất quan trọng với vị trí chiến lược bên sông. Các tác phẩm nghệ thuật từ thế kỷ 18 cho thấy Konigsberg là một thành phố thịnh vượng, nơi các đội tàu cập bến Pregel, và hoạt động buôn bán của họ mang lại cuộc sống thoải mái cho cả thương nhân địa phương và gia đình họ. Nền kinh tế phát triển cho phép người dân thành phố xây dựng bảy cây cầu bắc qua sông, hầu hết trong số đó nối với đảo Kneiphof, vị trí của chúng có thể được thấy trong hình dưới đây.

Khi dòng sông chảy quanh Kneiphof và một hòn đảo khác, nó chia thành phố thành bốn vùng độc lập. Theo truyền thuyết, người dân Konigsberg thường dành những buổi chiều Chủ nhật để đi dạo quanh thành phố xinh đẹp của họ. Trong khi đi bộ, người dân thành phố quyết định tạo ra một trò chơi cho chính họ. Mục tiêu là nghĩ ra cách để có thể đi bộ quanh thành phố mà chỉ băng qua mỗi cây cầu đúng một lần. Mặc dù không ai ở Konigsberg có thể phát hiện ra một tuyến đường như vậy, nhưng họ vẫn không thể chứng minh được rằng điều đó là không thể. May mắn cho họ, Konigsberg không quá xa St. Petersburg, quê hương của nhà toán học nổi tiếng Leonard Euler.

Tại sao Euler lại quan tâm đến một vấn đề không liên quan đến lĩnh vực toán học như vậy? Tại sao một nhà toán học vĩ đại như vậy lại dành nhiều thời gian cho một bài toán tầm thường như bài toán cây cầu Konigsberg? Euler rõ ràng là một người bận rộn, đã xuất bản hơn 500 cuốn sách và bài báo trong suốt cuộc đời của mình. Riêng năm 1775, trung bình mỗi tuần ông viết một bài báo toán học, và trong suốt cuộc đời mình, ông viết về nhiều chủ đề khác nhau ngoài toán học bao gồm cơ học, quang học, thiên văn học, hàng hải và thủy động lực học. Không có gì đáng ngạc nhiên khi Euler cảm thấy vấn đề này thật tầm thường, ông viết trong một bức thư năm 1736 gửi cho Carl Leonhard Gottlieb Ehler, thị trưởng của Danzig, người đã nhờ ông đưa ra lời giải cho bài toán:

“…Vì vậy, thưa ngài, ngài thấy đấy, bài toán này ít liên quan đến toán học như thế nào, và tôi không hiểu tại sao ngài lại mong đợi một nhà toán học tìm ra nó chứ không phải bất kỳ ai khác, vì lời giải chỉ dựa trên lý trí và khám phá ra nó. Không phụ thuộc vào bất kỳ nguyên tắc toán học nào. Vì điều này, tôi không biết tại sao ngay cả những câu hỏi ít liên quan đến toán học cũng được các nhà toán học giải nhanh hơn những người khác.”

Mặc dù Euler thấy vấn đề tầm thường nhưng ông vẫn bị hấp dẫn bởi nó. Trong một bức thư viết cùng năm cho Giovanni Marinoni, một nhà toán học và kỹ sư người Ý, Euler nói:

“Câu hỏi này thật tầm thường, nhưng đối với tôi, dường như nó đáng được chú ý bởi cả hình học, đại số, thậm chí cả nghệ thuật đếm cũng không đủ để giải quyết nó.”

Euler tin rằng vấn đề này có liên quan đến một chủ đề mà Gottfried Wilhelm Leibniz đã từng thảo luận và mong muốn được làm việc cùng, chủ đề mà Leibniz gọi là geometria situs, hay hình học vị trí. Cái gọi là hình học vị trí này là cái ngày nay ta gọi là lý thuyết đồ thị.

Continue reading →