Feladat: 2009. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 21. feladata Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Damásdi Gábor 
Füzet: 2011/október, 390. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Kombinatorikai leszámolási problémák, Nemzetközi Matematikai Diákolimpia
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2011/szeptember: 2009. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 21. feladata

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

Damásdi Gábor megoldása. N darab súlyt 135...(2n-1)-féleképpen lehet jól felrakni a mérlegre. Ezt indukcióval látjuk be: n=1 és n=2 könnyen ellenőrizhető. Tegyük fel, hogy valamilyen n-re 135...(2n-1)-féle jó felrakás van. Azt kell belátnunk, hogy n+1 súlyt 2n+1-szer annyi módon rakhatunk fel, mint n súlyt.
Vegyük az n súlynak egy tetszőleges felrakását. A következő módon csinálunk belőle egy felrakást n+1 súlyra: minden elem tömegét megkétszerezzük, majd valahova beszúrunk még egy lépést, amiben egy 1 tömegű súlyt helyezünk fel.
A kétszerezés miatt megkapjuk a 2,4,...,2n tömegű súlyokat, és beszúrjuk az 1 tömegűt, tehát ez tényleg n+1 súly felrakása. A kétszerezés nem rontja el a nagyságviszonyt. Mivel a kétszerezés után a tömegek párosak, az 1 tömegű súly csak akkor rontja el a felrakást, ha legelőre szúrjuk be és a jobb oldalra rakjuk. Tehát egy esetet kivéve, bármikor bármelyik oldalra felrakhatjuk az 1 tömegű súlyt, így 2n+1 darab felrakást készítettünk n+1 súlyra. Ezután elég belátni, hogy ezzel a módszerrel minden felrakás elérhető n+1 súlyra és egyik se érhető el kettő különböző n súlyos felrakásból.
Minden felrakás elérhető n+1 súlyra, mivel visszafelé is megadhatjuk a módszert: vegyünk egy felrakást n+1 súlyra. Vegyük ki azt a lépést, amiben az 1 tömegű súlyt rakjuk fel, és osszuk el a tömegeket 2-vel. Így egy felrakást kapunk n súlyra, amiből elérhető a kiinduló felrakás n+1 súlyra.
Ha különböző felrakásokból indulunk ki, a 2,4,...,2n tömegű súlyok más sorrendben lesznek az n+1 súlyos felrakásban, azaz minden felrakást csak egy módon érhetünk el.
Minden felrakásból készítettünk 2n+1 felrakást n+1 súlyra, tehát beláttuk az indukciót.