Top.Mail.Ru
К содержанию

Чем можем помочь?

Открыть popup op Открыть popup admin

Принцип Дирихле: олимпиадные задачи с решениями

Что такое принцип Дирихле и как им пользоваться — на четырёх реальных олимпиадных задачах разного уровня, с полными решениями и источниками.

Редакция блога «Олмат»обновлено 4 минуты чтения

Материал пересматривали после публикации — дата правки стоит выше. Если что-то устарело, напишите нам: поправим и укажем дату.

Принцип Дирихле — один из первых олимпиадных приёмов, с которым встречается школьник: если предметов больше, чем ящиков, в каком-то ящике окажется больше одного предмета. Формулировка простая, а применение почти всегда требует придумать, что считать «ящиками», а что — «предметами». Ниже — четыре реальные олимпиадные задачи разного уровня, где это нужно сделать по-разному.

Сама идея в одной фразе

Если предметов больше, чем ящиков, хотя бы в одном ящике окажутся два предмета. Короткое доказательство: если бы в каждом ящике лежало не больше одного предмета, предметов было бы не больше, чем ящиков, — противоречие.

Есть и общая формулировка: если nn предметов разложить по kk ящикам, где kk — положительное целое число, хотя бы в одном ящике будет не меньше ⌈n/k⌉\lceil n/k \rceil предметов. Знак ⌈  ⌉\lceil \; \rceil означает округление вверх до целого: например, ⌈50/7⌉=8\lceil 50/7 \rceil = 8. Иначе в каждом ящике было бы меньше n/kn/k предметов, а во всех ящиках вместе — меньше nn. В задачах важно определить, какие объекты считать предметами и по каким группам-«ящикам» их распределить.

Задача 1: разность, кратная 2021

1Условие8 классолимпиада «Надежда энергетики», 2022 год

Верно ли, что среди любых 2022 целых чисел можно выбрать два, разность которых кратна 2021?

Показать решение ↓Скрыть решение ↑

Решение

Остаток от деления на 2021 принимает одно из 2021 значений: 0,1,…,20200, 1, \dots, 2020. Если взять 2022 целых числа, то по принципу Дирихле хотя бы два из них дают одинаковый остаток при делении на 2021 — это и есть 2022 «кролика» в 2021 «клетке». Разность двух чисел с одинаковым остатком делится на 2021.

ОтветДа, верно: среди любых 2022 целых чисел всегда найдутся два с разностью, кратной 2021.

Источник задачи: Олимпиада «Надежда энергетики», 2022 год, заключительный этап, 8 класс, вариант 17081, задача 3 — условие

Официальное решение — задача 3 на второй странице PDF. Объяснение выше следует официальному решению.

Задача 2: кинотеатр и два сеанса

2Условие8 классМосковская математическая олимпиада, 2008 год

В кинотеатре семь рядов по 10 мест каждый. Группа из 50 детей сходила на утренний сеанс, а потом на вечерний. Докажите, что найдутся двое детей, которые на утреннем сеансе сидели в одном ряду и на вечернем тоже сидели в одном ряду.

Показать решение ↓Скрыть решение ↑

Решение

На утреннем сеансе 50 детей распределены по 7 рядам. Поскольку 7⋅7=49<507 \cdot 7 = 49 < 50, по принципу Дирихле хотя бы в одном ряду утром сидело не меньше ⌈50/7⌉=8\lceil 50/7 \rceil = 8 детей.

Теперь посмотрим, где эти не менее 8 детей сидели вечером: у них снова всего 7 рядов на выбор, а детей не меньше 8. По принципу Дирихле хотя бы двое из этих детей вечером оказались в одном ряду. Эти двое и утром сидели в одном ряду — том самом, где их было не меньше 8, — и вечером тоже в одном.

ОтветУтверждение доказано — принцип Дирихле применён дважды подряд, сначала к утреннему рассаживанию, потом к вечернему.

Источник задачи: 71-я Московская математическая олимпиада, 2008 год, 8 класс, задача 2 — официальный сайт ММО, mmo.mccme.ru (МЦНМО)

Задача 3: разноцветные шарики

3Условие10–11 классолимпиада «Ломоносов», 2015 год

В ящике лежат сто разноцветных шариков: 28 красных, 20 зелёных, 13 жёлтых, 19 синих, 11 белых и 9 чёрных. Какое наименьшее число шариков надо вытащить, не заглядывая в ящик, чтобы среди них заведомо оказалось не менее 15 шариков одного цвета?

Показать решение ↓Скрыть решение ↑

Решение

Ищем худший случай: наибольшее число шариков, которое можно вытащить, так и не набрав 15 одного цвета. Для этого берём от каждого цвета не больше 14 штук (а если шариков этого цвета меньше — все):

14 (красных)+14 (зелёных)+13 (жёлтых)+14 (синих)+11 (белых)+9 (чёрных)=75.14 \text{ (красных)} + 14 \text{ (зелёных)} + 13 \text{ (жёлтых)} + 14 \text{ (синих)} + 11 \text{ (белых)} + 9 \text{ (чёрных)} = 75.

75 шариков можно вытащить, не получив 15 одного цвета. Но следующий, 76-й шарик неизбежно создаст группу из 15 какого-то цвета: обойти лимит 14 сразу по всем цветам больше нельзя.

Ответ76 шариков.

Источник задачи: Олимпиада «Ломоносов», заключительный этап, 9 марта 2015 года, 10–11 класс, вариант 151, задача 1 — официальный сайт олимпиады «Ломоносов», МГУ

Задача 4: диагонали 2017-угольника

4Условие9 классолимпиада «Покори Воробьёвы горы!», заключительный этап

В правильном 2017-угольнике провели все диагонали. Петя выбирает наугад какие-то NN диагоналей. При каком наименьшем NN среди выбранных диагоналей гарантированно найдутся две, имеющие одинаковую длину?

Показать решение ↓Скрыть решение ↑

Решение

Выберем одну вершину многоугольника. Из неё выходят 2017−3=20142017 - 3 = 2014 диагоналей: соединения с самой вершиной и с двумя соседними вершинами не считаются.

Эти диагонали разбиваются на пары равной длины. В каждой паре концы диагоналей расположены симметрично относительно прямой, проходящей через выбранную вершину и центр многоугольника. Пар будет 2014/2=10072014/2 = 1007. У разных пар длины различаются: чем больше меньший центральный угол, на который опирается диагональ, тем длиннее соответствующая хорда. Так мы получили 1007 разных длин.

Любую диагональ многоугольника можно поворотом совместить с диагональю, выходящей из выбранной вершины. Значит, других длин нет. Теперь применим принцип Дирихле: «предметы» — выбранные диагонали, а 1007 «ящиков» — их возможные длины. Среди любых 1008 диагоналей две обязательно окажутся в одном «ящике», то есть будут равны по длине.

Осталось проверить, что меньшего числа недостаточно. Можно выбрать по одной диагонали из каждой пары у выбранной вершины — получатся 1007 диагоналей разных длин. Поэтому наименьшее NN равно 1008.

ОтветN = 1008.

Источник задачи: архив РСОШ, 9 класс, вариант 3-а, задача 4 — ссылка на комплект в разделе «Заключительный этап» каталога Olimpiada.ru — условие и официальное решение. Это каталог, а не сайт организатора. Прямой PDF РСОШ на момент проверки недоступен; содержание сверено по полной индексированной копии

Частые вопросы

Принцип Дирихле — это теорема, которую нужно доказывать на олимпиаде?

В решении можно назвать принцип Дирихле и пояснить, какие объекты распределяются по каким группам и почему объектов достаточно для нужного вывода. Можно обойтись и без названия: предположить, что в каждой группе объектов меньше требуемого, и получить противоречие. Например, если в каждом из семи рядов не больше семи детей, всего детей не больше 49, а по условию их 50.

Как понять, что в задаче нужно применять именно Дирихле?

Частый признак — вопрос «докажите, что найдутся два одинаковых» или «докажите, что что-то обязательно произойдёт» при достаточно большом числе объектов. Но само по себе такое требование ещё не определяет метод: сначала попробуйте найти подходящее распределение по группам.

Можно ли применить принцип Дирихле несколько раз в одной задаче?

Да, задача 2 выше — ровно такой случай: сначала Дирихле находит ряд с восемью детьми утром, потом Дирихле применяется второй раз — уже к вечернему рассаживанию этих восьми.

С какого возраста имеет смысл разбирать такие задачи?

Задача 1 (про остатки) доступна уже в 7–8 классе — идея принципа Дирихле не требует знаний старше средней школы, нужна только уверенная работа с остатками от деления.

Источники

  1. «Надежда энергетики», 2022 год — официальные решения заключительного этапа для 8 класса — вариант 17081, задача 3
  2. energy-hope.ru — олимпиада «Надежда энергетики» — официальный архив заданий
  3. mmo.mccme.ru — Московская математическая олимпиада — официальный сайт ММО (МЦНМО)
  4. olympiads.msu.ru — олимпиада «Ломоносов» — официальный сайт МГУ
  5. Olimpiada.ru — каталог материалов олимпиады «Покори Воробьёвы горы!» — содержит ссылку на архив РСОШ. Прямой PDF сейчас недоступен, условие и решение проверены по полной индексированной копии.
Редакция блога «Олмат»Готовит материалы вместе с преподавателями школы. Задачи — из официальных архивов олимпиад.

Записаться на бесплатную консультацию

Оставьте телефон — ответим коротко и по делу. Один звонок, без обзвонов и рассылок.