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第5题

六个盒子 B1,B2,B3,B4,B5,B6B_1,B_2,B_3,B_4,B_5,B_6 起初各有一枚硬币。第一类操作选择一个满足 1≤j≤51\le j\le5 的非空盒子 BjB_j,取出一枚硬币并向 Bj+1B_{j+1} 加入两枚硬币。第二类操作选择一个满足 1≤k≤41\le k\le4 的非空盒子 BkB_k,取出一枚硬币,并交换(可以为空的)盒子 Bk+1B_{k+1} 与 Bk+2B_{k+2} 的内容。判断是否存在有限次操作,使 B1,B2,B3,B4,B5B_1,B_2,B_3,B_4,B_5 为空而 B6B_6 中恰有 2010201020102010^{2010^{2010}} 枚硬币。这里 abca^{b^c} 表示 a(bc)a^{(b^c)}。
第 2/5 步:复合操作产生指数
(k,n,0,0)→(k−1,2n,0,0)(k≥1,n>0)(k,n,0,0)\to(k-1,2^n,0,0)\qquad(k\ge1,n>0)
详细分析

考察状态 (k,n,0,0)(k,n,0,0) 的后三个盒子。反复在这三个盒子的第一个盒子进行第一类操作,再在第二个盒子进行第一类操作将其清空;每一轮从第一个盒子消耗一枚硬币,并使第三个盒子中的数量翻倍。因此有 (n,0,0)→(n−1,2,0)→(n−1,0,4)→(n−2,4,0)→(n−2,0,8)→⋯→(1,0,2n)(n,0,0)\to(n-1,2,0)\to(n-1,0,4)\to(n-2,4,0)\to(n-2,0,8)\to\cdots\to(1,0,2^n)。随后在这三个盒子的第一个盒子进行第二类操作得到 (0,2n,0)(0,2^n,0),再在前一个盒子进行第二类操作得到 (k−1,2n,0,0)(k-1,2^n,0,0)。每次操作都合法,因为取硬币的盒子始终非空。