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第2题

沿着三角形的周界排列着 99 个圆圈,每条边上有 44 个圆圈(三个顶点处的圆圈由相邻两边共用,每条边内部各有两个圆圈)。将数字 1,2,…,91, 2, \ldots, 9 分别填入这些圆圈中,使得每个圆圈恰好填入一个数字,并且满足:(i) 三角形每条边上四个数字之和都相等;(ii) 三角形每条边上四个数字的平方和也都相等。求出所有满足条件的填法。
第 2/4 步:利用模3算术将三个顶点缩小到三个同余类
通俗地说

一旦确定三个顶点数除以 33 的余数必须相同,它们就只能完整取自三个同余类 {1,4,7}\{1, 4, 7\}、{2,5,8}\{2, 5, 8\} 或 {3,6,9}\{3, 6, 9\} 中的某一个。

a+b+c≡0(mod3),a2+b2+c2≡0(mod3)  ⟹  {a,b,c}∈{{3,6,9},{1,4,7},{2,5,8}}a + b + c \equiv 0 \pmod{3}, \quad a^2 + b^2 + c^2 \equiv 0 \pmod{3} \implies \{a, b, c\} \in \{\{3, 6, 9\}, \{1, 4, 7\}, \{2, 5, 8\}\}
详细分析

任意整数的平方都满足 x2≡0x^2 \equiv 0 或 1(mod3)1 \pmod{3},因此 a2+b2+c2≡0(mod3)a^2 + b^2 + c^2 \equiv 0 \pmod{3} 成立当且仅当 a,b,ca, b, c 全部被 33 整除,或者全不被 33 整除。结合 a+b+c≡0(mod3)a + b + c \equiv 0 \pmod{3} 可知,三个顶点数在模 33 下必须彼此同余。由于每个同余类中恰好只有三个数,故必有 {a,b,c}∈{{3,6,9},{1,4,7},{2,5,8}}\{a, b, c\} \in \{\{3, 6, 9\}, \{1, 4, 7\}, \{2, 5, 8\}\}。