Cím: Kalandozások egy olimpiai feladat körül
Szerző(k):  Bakos Tibor 
Füzet: 1990/január, 21 - 22. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Sokszor voltam tagja különböző szintű versenyek bizottságának. Ezekben a tételek összeválogatása a teendő, majd az eredmény lemérése. Lapunk szerkesztőbizottságának "kitűzési'' ülései is ilyesfélék. Az a szokás, hogy az előadott javaslatokat, ötleteket "megvariáljuk'', csavargatjuk; mérlegeljük a nehézségeket, a megfogalmazást stb. Nemegyszer messze elkalandozunk, ki-ki a kedve szerint. ‐ Most odaképzelem magamat az 1989. évi Nemzetközi Matematikai Diákolimpia válogató ülésére, de csak az ottani 1. feladatra szorítkozom: "Bizonyítsuk be, hogy az 1,2,...,1989 halmaz előáll 117 darab olyan diszjunkt halmaz, A1,A2...,A117 egyesítéseként, amelyekre teljesül, hogy
a) mindegyiküknek 17 eleme van, továbbá, hogy
b) mindegyikükben ugyanannyi az elemek összege.''

(Megoldása a KÖMAL 1989. évi 8‐9. szám 348. oldalán.)
Kanada képviselője talán ezt gondolta: "a mi CRUX-unkban pár hónapja jelent meg ez a kérdés, de általánosabban, ti., hogy (az 1989-es szám helyett) mely n-ekre van ilyen elrendezés.'' ‐ Bizonyára többen is mondták: "ezt nem lehet kihagyni!'' Bár gyakori, hogy a tetszőleges n szám helyére beírják az éppen aktuális évszámot, de itt a 17117 prímfelbontásnak lényegesebb szerepe van.
Ezért néztem meg a "fordított'' kérdést: 17 részhalmazt alakítani egyezően 117 számmal és egyező összegekkel. Nekem ez valamivel könnyebbnek látszik, mivel ‐ a közölt megoldáshoz kapcsolódva ‐ kicsit kevesebbet kell beszélni az "előrendezés'' utáni kiegyenlítésekről. Az ottani 8-as helyett 58-as "falkákban'' lehetne beírni a sorokba a számokat (117-1 fele 58), és azután a 2k-adik és (2k+1)-edik sorok kiegyenlítése mindig elérhető egyetlen cserével. (Megtartva persze azt a tulajdonságot, hogy a táblázat A sávjának minden z számával egy sorban van a C sávban az 1990-z szám, a halmazbeli aritmetikai tükörkép (számtani kép) a középső 995-ös centrumra nézve.)
Az ilyen elrendezés nyilván sokféleképpen változtatható, akárcsak az eredeti feladat megoldásáé. Kézenfekvő sejtés, hogy olyan elrendezései is vannak a halmaznak 17×117 mezőben, hogy minden sorösszeg egyenlő, és minden oszlopösszeg is (akkor persze 117995, illetőleg 17995 a közös érték). Az ilyen elrendezéseket bűvös téglalapnak nevezik.
Egy további elgondolás: ha van ilyen elrendezés, arra építve, már olyat is föl lehet írni az {1,2,...19892} számokból 1989×1989 mezőben, hogy minden sor- és oszlopösszeg egyenlő. Ez félig bűvös négyzet lenne. (Szerencsés esetben a két átlóra is adódhat ugyanaz az összeg, és akkor bűvös négyzetről beszélhetünk.)
Az utóbbi sejtésnek az az alapja, hogy a 15 is "
CRUX-os szám'', és hogy az 1‐2. ábrák 3×5 mezős, valamint 5×3 mezős bűvös téglalapjai alapján valóban lehet 15×15-ös bűvös négyzetet felírni, és ez lényegesen más, mint "klasszikus'' menetvonalas beírásmód szerinti. A 2. ábra az 1.-ből származik -90-os elforgatással, mezőnként 1 levonással, végül 15-tel szorozva: így lett pl. a 14-ből 195. Az 1. ábra centrális, vagyis a 8-as középszámra tükrös helyzetű számpárok aritmetikailag tükrösek, pl. 9+7=16. Ezért a 2. ábrán is egyenlők a megfelelő összegek, és pl. 195+15=2105. Ez biztosítja a felírandó 15×15-ös négyzet átlóinak bűvösségét.
Ilyen négyzetet a következőképpen nyerhetünk: A 15×15 mezőt 15 db 3 soros, 5 oszlopos téglalapra osztjuk, azaz 5 vízszintes sávra és 3 függőleges sávra, egyenként 15 mezővel. Minden mezőbe két szám összege kerül. Az első tag téglalaponként közös, a 2. ábrából vesszük át, helyzet szerint. A második tag minden téglalapban az 1. ábra szerinti.

911126213813151410457
       1950120135301504510516560180759021015
 
MM1. ábraMMMMMMMMM2. ábra
Bemutatom az első vízszintes osztóvonal fölötti és alatti sort:
  209  205  199  200  202   14  10    4    5    7   134  130  124  125  127  144  146  147  141  137   39  41  42  36  32   159  161  162  156  152  


A teljes, 15×15-ös négyzet szintén centrális, átlóinak összege egyezik a sorok, oszlopok közös, 1695-ös összegével, 15×113-mal (113 az 1 és 152 számtani közepe.)
Ez az elrendezés a 15-ös számrendszerre is támaszkodik. Így lehet könnyen belátni, hogy csupa különböző szám szerepel benne. Az 1-esekkel csökkentett 0-224 számok 15-ös alapú számrendszerbe elképzelt átírását használtuk, pl. a felső példasor végén a 127 a 126=815+6=1586 csökkentettje, és ennek számjegyei az első ábra 9-eséből és 7-eséből származnak.
Visszakanyarodva az olimpiai feladat "elfordítottjához'', annak az előkészítő B sávjában is lehetne használni "közönséges'' 17-edrendű bűvös négyzetet is, minden számát 850=1750-nel emelve, hogy az 1+2892=145-ös középszám helyére 995 jusson.