Feladat: 1988. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 12. feladata Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Keleti Tamás 
Füzet: 1988/október, 291 - 292. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Részhalmazok, Halmazok számossága, Indirekt bizonyítási mód, Skatulyaelv, Konstruktív megoldási módszer, Nemzetközi Matematikai Diákolimpia
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1988/szeptember: 1988. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 12. feladata

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

Először azt bizonyítom be, hogy a B halmaz minden eleme pontosan két Ai-ben fordul elő. A c) feltétel szerint minden elem legalább két Ai-ben szerepel, ezért elegendő azt megmutatni, hogy egyik elem sem fordul elő legalább három részhalmazban.
Tegyük fel, hogy X mégis eleme az Ai, Aj, Ak halmazoknak, ebből ellentmondáshoz fogunk jutni. A b) feltétel szerint az Ai, Aj, Ak halmazok közül semelyik kettőnek nincs az X-től különböző közös eleme. A három halmaz X-en kívüli, összesen 3(2n-1) eleme így mind különböző. A továbbiakban nevezzük ezeket "mókás'' elemeknek.
A c) feltétel szerint minden mókás elem előfordul legalább egyszer a további 2n-2 halmazban. Összesen 3(2n-1) mókás elem van, ezért valamelyik halmazban közülük 4 fordul elő (3(2n-2)-3(2n-1)). Ekkor ennek a halmaznak az Ai, Aj, Ak valamelyikével legalább 2 közös eleme van, ami ellentmond a b) feltételnek. Ezzel beláttuk, hogy a B halmaz minden eleme pontosan két Ai-ben szerepel.
Tegyük fel ezután, hogy megadtuk a megfelelő hozzárendelést a B halmaz elemein. Mivel minden Ai-nek n eleméhez rendeltünk 0-t, ezért halmazonként leszámolva összesen a n(2n+1) elemhez rendeltünk 0-t. Láttuk másfelől, hogy minden elem pontosan két halmazban fordul elő, ezért a B halmaz n(2n+1)2 eleméhez rendeltünk 0-t. Ez pedig csak akkor egész, ha n páros, tehát szükséges feltétel, hogy n páros legyen.
Be fogjuk bizonyítani, hogy ez a feltétel elégséges, ilyenkor megadható az előírt hozzárendelés. Írjuk fel egy szabályos (2n+1)-szög csúcsaira az 1,2,...,2n+1 számokat. Húzzuk be azokat az átlókat, melyek két olyan csúcsot kötnek össze, melyek között legfeljebb n2-1 csúcs van. (Ez egész, mivel n páros.) Így minden csúcsból n átlót húztunk be.
Jelöljük Ai és Aj közös elemét (i,j)-vel (i<j). Ez egy kölcsönösen egyértelmű megfeleltetés, mivel minden elem pontosan két halmazban szerepel, és b) fennáll.
(i,j)-hez pontosan akkor rendeljünk 0-t, ha az i és j csúcs közötti átlót behúztuk. Mivel minden csúcsból n átló indul, ezért ez egy megfelelő hozzárendelés.
Tehát akkor és csak akkor végezhető el megfelelő hozzárendelés, ha az n páros.

Keleti Tamás (Budapest, Fazekas M. Gyak. Gimn., IV. o. t.)