MathLabs

第1問

集合 {1,2,…,1989}\{1, 2, \ldots, 1989\} は、互いに素な 117117 個の部分集合 A1,A2,…,A117A_1, A_2, \ldots, A_{117} の和集合として表すことができ、各部分集合がちょうど 1717 個の要素を含み、各 AiA_i に含まれる要素の和がすべて等しくなることを証明せよ。
ステップ 2/5: 各数を995を中心とした鏡像の相手と組ませる
ざっくり言うと

数直線上で 995995 を中心に対称に数が並んでいる様子を想像してみよう。995995 の位置で数直線を折り返すと、rr と 1990−r1990-r がぴったり重なり、折り目の点だけが相手のいない数として残る。

{1,…,1989}={995}∪⋃r=1994{r, 1990−r}\{1,\ldots,1989\} = \{995\} \cup \bigcup_{r=1}^{994} \{r,\ 1990-r\}
詳しい解説

中央の数 995995 を除くと、範囲内の各 r∈{1,…,1989}r\in\{1,\ldots,1989\} にはその範囲内に相方 1990−r1990-r があり、r+(1990−r)=1990r+(1990-r)=1990 である。したがって残りの 19881988 個の数は、それぞれの和が 19901990、すなわち平均 995995 のちょうど2倍となる 994994 組のペアに分かれる。任意の集合にペアを1組丸ごと加えると、その和は一定量 19901990 だけ増える。これが後で 117117 個のブロックを均衡させる鍵となる。