Feladat: N.117 Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Bérczi Gergely ,  Braun Gábor ,  Frenkel Péter ,  Gerbicz Róbert ,  Juhász András ,  Kun Gábor ,  Lippner Gábor ,  Mátrai Tamás ,  Pap Gyula ,  Szabó Jácint 
Füzet: 1997/május, 289 - 290. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Számsorozatok, Indirekt bizonyítási mód, Nehéz feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1996/november: N.117

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

Az állítást n szerinti teljes indukcióval bizonyítjuk.
Az n=1 esetben az állítás igaz, mert a1=1 és 1≤a2≤2.
Tegyük fel, hogy n<m esetén igaz az állítás, és tegyük fel indirekt, hogy n=m esetén nem, azaz léteznek olyan a1, ..., a2m pozitív egészek, amelyekre ak≤k, de közülük csak legfeljebb m hosszúságú monoton növő részsorozat választható ki.
Legyen 1≤x≤2m, és jelentse h(x) azt, hogy az x szám hányszor szerepel az
a1, ..., a2m számok között. Nyilván h(1)≤m, mert ellenkező esetben lenne m+1 darab 1-es a sorozatban.
Legyen most 2l<x≤2l+1. Az a1, ..., a2m számok mind kisebbek x-nél, és közülük az indukciós feltevés szerint kiválasztható l+1 hosszúságú, monoton növő részsorozat. Ezekhez hozzávéve h(x) darab x-et, egy l+1+h(x) hosszúságú monoton növő sorozatot kapunk; ezért az indirekt feltevés szerint l+1+h(x)≤m, tehát h(x)≤m-l-1.
Ha összeszámoljuk, hogy az a1, ..., a2l sorozatban hány 1-es, 2-es stb. elem szerepel, akkor mindegyik ak-t egyszer számoljuk, ezért a h(x)-ek összege éppen 2m. Ez és az előbbi becslések alapján

2m=∑x=12mh(x)=h(1)+∑l=0m-1∑2l<x≤2l+1h(x)≤m+∑l=0m-1(2l+1-2l)(m-l-1)==m-20⋅(m-1)+2m⋅0+∑l=1m-12l⋅((m-l)-(m-l-1))=1+∑l=1m-12l=2m-1,
ami ellentmondás.
 
Megjegyzés. A feladat állítása éles; létezik olyan a1, a2, ... pozitív egész számokból álló sorozat, hogy ak≤k, és tetszőleges n pozitív egészre az a1, ..., a2n-1 számok közül nem választható ki n+1 hosszúságú monoton növő részsorozat.
Legyen an=2l+1-n, ha 2l≤n<2l+1:
a1=1,a2=2,a3=1,a4=4,a5=3,a6=2,a7=1,...
Ekkor az (a1), (a2,a3), (a4,a5,a6a7), ..., (a2n-1,a2n-1+1,...,a2n-1) részsorozatok szigorúan monoton fogynak, emiatt egy monoton növő részsorozat mindegyikből legfeljebb egy elemet, összesen legfeljebb n elemet tartalmazhat.
A megoldás kis módosításával igazolható, hogy ez az egyetlen ilyen példa.

 Több dolgozat alapján