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第6問

66 問が出題された数学コンテストにおいて、どの二問の組についても、その両方を解いた参加者が全体の 25\frac25 より多かった。さらに、66 問すべてを解いた参加者はいなかった。このとき、ちょうど 55 問を解いた参加者が少なくとも 22 人いることを示せ。
ステップ 4/6: tt たちの間の正確な線形恒等式
ざっくり言うと

1+t1+t2+t3+t12+t23+t13−t451+t_1+t_2+t_3+t_{12}+t_{23}+t_{13}-t_{45} において、{1,2,3}\{1,2,3\} のみに関わる変数はすべて打ち消し合い、44 または 55 に関わる変数はすべて 33 の倍数の係数で現れる。

(1+t1+t2+t3+t12+t23+t13)−t45=3(1+a4+a5+b14+b15+b24+b25+b34+b35+2b45)(1+t_1+t_2+t_3+t_{12}+t_{23}+t_{13})-t_{45}=3(1+a_4+a_5+b_{14}+b_{15}+b_{24}+b_{25}+b_{34}+b_{35}+2b_{45})
詳しい解説

ステップ2の式を (1+t1+t2+t3+t12+t23+t13)−t45(1+t_1+t_2+t_3+t_{12}+t_{23}+t_{13})-t_{45} に代入して各変数の係数を確認する。定数項は (1+3)−1=3(1+3)-1=3。m∈{1,2,3}m\in\{1,2,3\} のとき ama_m は t12,t23,t13t_{12},t_{23},t_{13} のうち一つと t45t_{45} に現れて 1−1=01-1=0、m∈{4,5}m\in\{4,5\} のときは t12,t23,t13t_{12},t_{23},t_{13} の三つすべてに現れ t45t_{45} には現れず 3−0=33-0=3。r,s∈{1,2,3}r,s\in\{1,2,3\} のとき brsb_{rs} は t1,t2,t3t_1,t_2,t_3 のうち一つと t45t_{45} に現れて 1−1=01-1=0。r∈{1,2,3},s∈{4,5}r\in\{1,2,3\},s\in\{4,5\} のとき brsb_{rs} は t1,t2,t3t_1,t_2,t_3 のうち二つと t12,t23,t13t_{12},t_{23},t_{13} のうち一つに現れて 2+1−0=32+1-0=3。そして b45b_{45} は t1,t2,t3,t12,t23,t13t_1,t_2,t_3,t_{12},t_{23},t_{13} の六つすべてに現れて 6−0=66-0=6。残るすべての係数が 33 で割り切れる。