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第1問

n≥100n \ge 100 を整数とする。イヴァンは数 n,n+1,…,2nn, n+1, \ldots, 2n をそれぞれ異なるカードに書く。そして、これら n+1n+1 枚のカードをシャッフルして二つの山に分ける。少なくとも一方の山に、書かれた数の和が平方数になる二枚のカードが含まれることを証明せよ。
ステップ 5/5: 二つの山に鳩の巣原理を適用する
{a,b,c}⊂{n,n+1,…,2n}\{a,b,c\}\subset\{n,n+1,\ldots,2n\}
詳しい解説

任意の n≥100n\ge100 に対して a,b,c∈{n,n+1,…,2n}a,b,c\in\{n,n+1,\ldots,2n\} が存在し、a+ba+b、b+cb+c、c+ac+a はすべて平方数になる。この三枚のカードを二つの山に分けると、鳩の巣原理により必ず二枚が同じ山に入り、その和は既に (2k−1)2,(2k)2,(2k+1)2(2k-1)^2,(2k)^2,(2k+1)^2 のいずれかであるから、証明が完了する。