Feladat: Gy.2856 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Burcsi Péter ,  Elek Péter 
Füzet: 1994/február, 72 - 73. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Részhalmazok, Számhalmazok, Halmazok számossága, Gyakorlat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1993/szeptember: Gy.2856

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

A feladatot kicsit általánosabban oldjuk meg. Legyen G a pozitív egészek egy véges részhalmaza, k pedig egy pozitív egész szám. A kérdés ekkor így fogalmazható meg: legfeljebb hány eleme lehet a G halmaz egy olyan H részhalmazának, amelyre igaz az, hogy egyetlen H-beli elem k-szorosa sincs H-ban.
Nevezzük alapszámoknak G azon elemeit, amelyek k-adrésze nincs G-ben. Ezekből az összes többi elemet is megkaphatjuk egy alkalmas k-hatvánnyal való szorzás eredményeként. Így olyan láncokat képezhetünk G-ben, amelyekben az első helyen alapszám áll, majd utána annak k-, k2-, ..., ki-szerese. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen lánc két szomszédos eleme nem lehet egyszerre H-ban; sőt ez egyenértékű a H-ra megkívánt feltétellel. H akkor áll tehát a legtöbb elemből, ha minden láncból a lehető legtöbb számot tartalmazza.
Egy 2l+1 hosszúságú láncnál a 2. és 3., 4. és 5., ..., 2l. és (2l+1). számok közül egyet-egyet biztosan ki kell hagyni H-ból, vagyis legfeljebb l+1 szám maradhat meg a láncból. Annyi viszont meg is maradhat: az 1., 3., ..., 2l+1. Egy 2l hosszú láncnál az 1. és 2., 3. és 4., ...(2l-1). és 2l. közül kell egyet-egyet kihagyni, azaz legfeljebb l maradhat meg, ami azonban el is érhető, például a 2., 4., ..., 2l. választásával.
Számoljuk meg, hány eleme van az így elkészített H-nak. A páros hosszúságú láncok elemszámát jelölje l1,l2,...,ls, a páratlanokét t1,t2,...,tr. Ekkor H elemeinek száma

|H|=l12+l22+...+ls2+t1+12+t2+12+...+tr+12.
Azonban G elemszáma
|G|=l1+l2+...+ls+t1+t2+...+tr,
azaz H elemszámára
|H|=l1+l2+...+ls+t1+t2+...+tr2+r2=|G|+r2.
Tekintsük most eredeti feladatunkat, ahol k=10,G={1,2,...,100}. Határozzuk meg a láncokat:
1) az 1‐10 ‐100 egy háromelemű lánc
2) a 2 ‐ 20; 3 ‐ 30; ...9 ‐ 90 kételemű láncok összesen 8
3) a maradék 100-16-3=81 szám egyelemű láncokat alkot.
Tehát |G|=100,r=81+1=82, azaz a kérdésre a válasz 1822=91. Egy lehetséges H halmaz például az {1,2,...,100}-{2,3,...,10}.
Burcsi Péter (Pápa, Türr István Gimn., II. o. t) dolgozata alapján
Megjegyzés. Az általános esetre vonatkozó gondolatmenetben megadtunk egy H-t, amiről láttuk, hogy nincs nála több elemmel rendelkező és a feltételeket is teljesítő H'. Arról viszont szó sincs, hogy vele megegyező méretű H' ne létezhetne. A páratlan láncokból a kiválasztás egyértelmű, ám a páros láncoknál több lehetőség is van. Például a már leírt 2.,4.,...,2l. helyett az 1.,3.,...,(2l-1); vagy 1.,4.,6.,...,2l. Általában egy 2l hosszú láncból (l+1)-féleképpen tehetjük ezt meg. Ennek bizonyítása történhet teljes indukcióval. Az l=1 esetre nyilvánvaló: vagy az 1., vagy a 2. vehető. Vizsgáljuk n-ről n+1-re. Ha a (2n+1)-ediket választottuk, előtte már csak a (2n-1).,(2n-3).,...,3.,1. lehet, ez 1 lehetőség. Ha a (2n+2)-ikat választottuk, akkor az 1.,2.,...,2n. közül az l=n esetnek megfelelően (n+1)-féleképpen vehetők hozzá az elemek. Mivel a (2n+1.,2n+2.) párból mindenképpen kellett egyet választanunk, azért ez az összes lehetőség, vagyis szám szerint n+2, éppen amint állítottuk.