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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 2/8: 鎖の本数を数える
ざっくり言うと

ケーブルカーを1台追加すると、それまで別々だった2成分がつながるので、成分数はちょうど1減る。

cX=n2−k(X=A,B).c_X=n^2-k\qquad (X=A,B).
詳しい解説

最初は n² 個の孤立駅、すなわち n² 個の成分がある。高度が厳密に増加するのに、同じ成分内の2駅を結ぶケーブルカーがあれば有向閉路が生じるので、各ケーブルカーは異なる2成分を結ぶ。したがって各1台は成分数を1減らし、各社は n²-k 本の鎖を持つ。