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第4問

整数 n>1n > 1 が与えられている。山の斜面に n2n^2 個の駅があり、すべて異なる高度にある。二つのケーブルカー会社 AA と BB はそれぞれ kk 台のケーブルカーを運行しており、各ケーブルカーはある駅から、途中で止まることなく、より高い駅へ利用客を運ぶ。AA の kk 台のケーブルカーは kk 個の異なる出発点と kk 個の異なる到着点を持ち、より高い場所から出発するケーブルカーはより高い場所に到着する。同じ条件が BB についても成り立つ。ある会社によって2つの駅が結ばれているとは、低い方の駅から出発し、その会社のケーブルカーを1台以上使って、駅間の他の移動を一切行わずに、高い方の駅に到達できることをいう。両方の会社によって結ばれる2つの駅が存在することを保証できる、最小の正の整数 kk を求めよ。
ステップ 1/8: 各社を増加する鎖で表す
ざっくり言うと

出発点と到着点がそれぞれ異なり、すべてのケーブルカーが上へ進むので、各社のネットワークは単純な増加する道の集まりになる。

Each company’s cars form vertex-disjoint directed paths.\text{Each company's cars form vertex-disjoint directed paths.}
詳しい解説

一社について、各駅は高々1台のケーブルカーの出発点であり、高々1台の到着点である。各辺を低い駅から高い駅へ向けると、各頂点の入次数と出次数は高々1である。また各辺で高度が厳密に増加するので、有向閉路は存在しない。したがって成分は、孤立駅も含めて、頂点を共有しない有向道である。同じ会社によって2駅が結ばれることと、同じ道の成分に属することは同値である。