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第1题

平面上一条直线若不与 xx 轴、yy 轴、以及直线 x+y=0x+y=0 中任何一条平行,则称其为阳光直线。设 n≥3n\ge3 为给定的整数。求所有非负整数 kk,使得平面上存在 nn 条互不相同的直线,同时满足:对所有满足 a+b≤n+1a+b\le n+1 的正整数 aa、bb,点 (a,b)(a,b) 都在这些直线中的至少一条上;并且这 nn 条直线中恰有 kk 条是阳光直线。
第 1/6 步:只有三个方向被禁止
通俗地说

非阳光直线恰好平行于三个方向之一,因此三角形格点阵的三条边自动不是阳光直线。

n≥4 ⟹ 2n≥3(n−1) fails, so a long line is forcedn\ge4\ \Longrightarrow\ 2n\ge3(n-1)\ \text{fails, so a long line is forced}
详细分析

称一条直线为长直线,若它经过三角形格点阵 {(a,b):a,b≥1,a+b≤n+1}\{(a,b): a,b\ge1, a+b\le n+1\} 三条外边之一上的全部 nn 个点(这三条边分别在 a=1a=1、b=1b=1、a+b=n+1a+b=n+1 上,恰是三个被禁止的方向)。外边界上共有 3(n−1)3(n-1) 个点;若 nn 条直线中没有一条是长直线,则每条直线与该边界至多相交于 22 点,从而 2n≥3(n−1)2n\ge3(n-1),迫使 n≤3n\le3。因此当 n≥4n\ge4 时,任何满足条件的 nn 条直线族都必含至少一条长直线。