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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 5/8: 鳩の巣原理を適用する
ざっくり言うと

C の n+1 個の駅はわずか n−1 本の B の鎖に分配されるので、同じ鎖に入る2駅がある。

n+1>n−1⟹∃P,Q∈C in one B-chain.n+1>n-1\quad\Longrightarrow\quad \exists P,Q\in C\text{ in one B-chain}.
詳しい解説

C の少なくとも n+1 個の駅を n−1 本の B の鎖に分配する。n+1>n−1 なので、鳩の巣原理により、C の異なる2駅 P,Q が同じ B の鎖に属する。P,Q は C に属するので A によって結ばれ、同じ B の鎖に属するので B によっても結ばれる。