Feladat: 2000. évi Kürschák matematikaverseny 1. feladata Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Füzet: 2001/február, 66 - 67. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Négyzetrács geometriája, Egyéb szinezési problémák, Kürschák József (korábban Eötvös Loránd)
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2001/február: 2000. évi Kürschák matematikaverseny 1. feladata

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

A szóban forgó rácspontok n+1 sorban és n+1 oszlopban helyezkednek el. Nevezetesen, az i-edik sor (0in) azokat a rácspontokat tartalmazza, amelyeknek a második koordinátája i. Hasonlóképpen, az i-edik oszlop azokból a rácspontokból áll, amelyek első koordinátája i. Két rácspontot szomszédosnak fogunk hívni akkor, ha ugyanabban a sorban vagy oszlopban egymás mellett helyezkednek el. Az (i,j) pont szomszédai tehát az (i-1,j), (i+1,j), (i,j-1) és (i,j+1) pontok, amennyiben ezek is az ABCD négyzet pontjai.
Nyilván jó színezését kapjuk a pontoknak akkor, ha minden sorban felváltva színezzük pirosra és zöldre az egymást követő pontokat. Az egyes sorokat ekkor egymástól függetlenül kétféleképpen színezhetjük, ezért az ilyen színezéseknek a száma 2n+1. Ugyanilyen megfontolásból lesz jó az a 2n+1 színezés is, ahol az egyes oszlopokban követik egymást felváltva a piros és zöld pontok. Mivel a pontokat kétféleképpen lehet úgy kiszínezni, hogy sem a sorokban, sem az oszlopokban nincs két szomszédos azonos színű pont, ezért így összesen

2n+1+2n+1-2=2n+2-2
jó színezést találtunk.
Megmutatjuk, hogy a fentieken kívül nincs más jó színezés. Ehhez tegyük fel először azt, hogy a pontokat megszíneztük a kívánt módon, és valamelyik oszlopban ‐ mondjuk az i-edikben ‐ van egymás mellett két azonos színű szomszédos pont. Legyenek ezek (i,j) és (i,j+1). Ekkor az (i-1)-edik és az (i+1)-edik oszlopban is található egymás mellett két azonos színű pont. Nevezetesen az (i-1,j), (i-1,j+1), (i+1,j), (i+1,j+1) pontok mind azonos színűek, és egyben az (i,j), (i,j+1) pontoktól eltérő színűek kell, hogy legyenek. Indukcióval könnyen ellenőrizhető ezután, hogy az (i-k,j), (i-k,j+1), (i+k,j), (i+k,j+1) pontok színe az (i,j), (i,j+1) pontokéval megegyező, ha k páros, illetve azokétól eltérő, ha k páratlan.
Tegyük fel most még azt is, hogy valamelyik sorban ‐ mondjuk a j'-edikben ‐ is van egymás mellett két azonos színű pont: (i',j') és (i'+1,j'). Az előbbihez hasonló gondolatmenettel (vagy egyszerűbben: szimmetria okokra hivatkozva) megállapíthatjuk, hogy minden k-ra az (i',j'-k), (i'+1,j'-k), (i',j'+k), (i'+1,j'+k) pontok azonos színűek.
A fentiek szerint az (i',j) pont színe meg kell, hogy egyezzen mind az (i',j+1), mind az (i'+1,j) pont színével. Ez azonban egy jó színezésben nem történhet meg, hiszen a felsorolt három pont éppen egy egységoldalú rácsnégyzet három csúcsa. Ez az ellentmondás igazolja azon állításunkat, miszerint minden jó színezésben vagy az oszlopokban, vagy a sorokban váltakozó színű pontok követik egymást. A kérdéses színezések száma tehát 2n+2-2.