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第4問

各単位正方形に整数が書かれた 2018×20192018\times2019 の盤を考える。二つの単位正方形は、辺を共有するとき隣接しているという。各ターンでは、いくつかの単位正方形が選ばれる;その後、選ばれた各正方形について、そのすべての隣接正方形の平均が計算され、最後に、これらすべての計算が終わった後、選ばれた各正方形の数はその対応する平均で置き換えられる。有限回のターンの後、すべての正方形の数を等しくすることは常に可能か。
ステップ 3/6: 均衡な盤を反射しても均衡が保たれる
degree 2→3: 2(a+b+c)≡a;degree 3→4: 4(a+b+c+d)≡a;degree 2→4: 4(2a+b+c)≡a\text{degree}\ 2\to3:\ 2(a+b+c)\equiv a;\quad \text{degree}\ 3\to4:\ 4(a+b+c+d)\equiv a;\quad \text{degree}\ 2\to4:\ 4(2a+b+c)\equiv a
詳しい解説

均衡な盤をその辺の一つに関して反射させ、その方向に大きさを二倍にする;反射されたコピーは同じ値を繰り返すので、継ぎ目の二列(または二行)は等しくなる。すでに 44 個の隣接マスをもつマスは反射後も同じ隣接マスを保つので、その均衡は影響を受けない。22 個の隣接マス b,cb,c をもつ境界のマス(a≡3(b+c)a\equiv3(b+c)、すなわち b+c≡2ab+c\equiv2a)が自分自身に等しい隣接マスをもう一つ得ると、示した恒等式 2(a+b+c)=2(a+2a)=6a≡a2(a+b+c)=2(a+2a)=6a\equiv a を満たす;そのようなマスを二つ得る場合(二方向に反射された角)は示した恒等式 4(2a+b+c)=4(2a+2a)=16a≡a4(2a+b+c)=4(2a+2a)=16a\equiv a が成り立つ。33 個の隣接マス b,c,db,c,d をもつマス(a≡2(b+c+d)a\equiv2(b+c+d)、すなわち b+c+d≡3ab+c+d\equiv3a)が自分自身に等しい隣接マスをもう一つ得ると 4(a+b+c+d)=4(a+3a)=16a≡a4(a+b+c+d)=4(a+3a)=16a\equiv a を満たす。いずれの場合も反射後の盤は再び 55 を法として均衡状態にある。