Feladat: B.3897 Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: átlagos
Megoldó(k):  Lamm Éva 
Füzet: 2007/január, 23 - 24. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szimmetrikus egyenletek, Esetvizsgálat, Logikai feladatok, Oszthatósági feladatok, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2006/március: B.3897

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

I. megoldás. A sorszámozás ciklikus jellegét követve vezessük be az xn+1=x1 jelölést. Legyen i egy tetszőlegesen rögzített érték az 1,2,...,n közül, és vizsgáljuk meg az x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1 összeg viselkedését abban az esetben, ha a változók a ±1 értékeket vehetik fel, és egy ilyen kiosztást követően xi előjelét az ellenkezőjére változtatjuk. Az xi megváltozása az összegnek csupán két (szomszédos) tagját befolyásolja, ezért elegendő az xi-1xi+xixi+1 sorsát nyomon követni. Az xi-1, xi, xi+1 értéke 1 vagy -1, így a szorzatok értéke is csak 1 vagy -1 lehet; ennek megfelelően xi-1xi+xixi+1 csak a -2, 0 vagy 2 értékek valamelyikét veheti fel. A két szorzat összege pontosan akkor -2, ha mindkét szorzat -1, ami azt jelenti, hogy xi előjele xi-1 és xi+1 előjelével is ellentétes. Így, ha xi előjelét az ellenkezőjére változtatjuk, akkor xi-1=xi=xi+1 folytán az összeg értéke -2-ről 2-re változik. Az eseménysort visszafelé lepergetve elmondhatjuk, hogy ha kezdetben xi-1xi+xixi+1=2 ‐ ami akkor és csak akkor teljesül, ha xi-1=xi=xi+1 ‐ úgy az xi előjelének megváltoztatása után az összeg új értéke -2. Hasonlóan látható, illetve formális logikai következtetéssel is adódik, hogy ha xi-1xi+xixi+1=0, akkor az összeg értéke az xi ellentettjével is 0 marad. Ezzel beláttuk, hogy az x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1 kifejezés értéke mindig 0-val vagy ±4-gyel változik, ha az egyik xi helyett a -1-szeresét szerepeltetjük.
Tegyük fel ezután, hogy x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1=0. Változtassuk meg egyenként a negatív xi értékeket +1-re; így végül mindegyikük 1 lévén, x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1=n lesz. A változás minden lépésben 4-gyel osztható volt, ezért a végső eltérés, n-0=n is osztható 4-gyel.
Megfordítva: tegyük fel, hogy n osztható 4-gyel, azaz n=4k. Legyen ekkor x4t+1=1, x4t+2=-1, x4t+3=1, x4t=1 (t=0,1,...,k mellett). Ekkor az x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1 összegben két -1 értékű szorzatot mindig két 1 értékű követ, ezért az összeg nulla.
Tehát a feladat követelményét pontosan a 4-gyel osztható n számok elégítik ki.

 
Megjegyzés. Abban az esetben, amikor az n osztható 4-gyel, számos más konstrukcióval is elérhető, hogy a szóban forgó összeg értéke nulla legyen; ezeket azonban nem részletezzük. Viszont a megoldás azon részére, hogy a 4n feltétel szükséges, egy további megközelítést is mutatunk.
 
II. megoldás. Az x1,x2,x3,x4,...,xn-1,xn,x1 sorozatban akkor beszélünk jelváltásról, ha valamilyen 1jn-re az xj és xj+1 előjele különböző. A jelváltás annak szükséges és elégséges feltétele, hogy az xjxj+1 szorzat értéke -1 legyen. Ha a jelváltások száma V, akkor tehát x1x2+x2x3+x3x4+...+xn-1xn+xnx1=(-1)V+1(n-V)=n-2V. Így, ha a fenti kifejezés értéke 0, akkor n=2V páros. Másrészt a sorozat első és utolsó eleme egyenlő, ezért a jelváltások V száma szükségképpen páros, azaz n osztható 4-gyel.