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第3問

4n4n 個の小石があり、重さはそれぞれ 1,2,3,…,4n1, 2, 3, \ldots, 4n である。各小石は nn 色のいずれか一色で塗られており、各色の小石はちょうど4個ずつある。石を二つの山に分けて、両方の山の総重量が等しく、かつそれぞれの山に各色の石がちょうど2個ずつ含まれるようにできることを示せ。
ステップ 1/6: 重さを対称に対にする
ざっくり言うと

この規則で小さい重さと大きい重さを対にすると、常に同じ合計になる。これが構成全体を導く鍵となる対称性である。

k+(4n+1−k)=4n+1,k=1,2,…,2n.k+(4n+1-k)=4n+1,\qquad k=1,2,\dots,2n.
詳しい解説

k を 1 から 2n まで動かし、重さ k の小石と重さ 4n+1-k の小石の間に紐を結ぶ。紐で結ばれた各対の重さの和は常に 4n+1 である。k が 1 から 2n まで動くとき、相手の重さ 4n+1-k は 4n から 2n+1 まで動くので、紐は 4n 個の小石すべてをちょうど1回ずつ使い、合計 2n 本の紐ができる。