Это старая версия документа.

Математический марафон

Стартовал 23-й конкурс в рамках Математического марафона

Какой-то единой тематикой задачи 23-го конкурса не объединены. Однако, легко разбить конкурсные задачи на три группы. Две из них посвящены традиционно любимым ведущим арифметике и комбинаторной геометрии. Третью можно условно озаглавить «Сон абитуриента в ночь перед ЕГЭ». Окажется ли этот сон кошмарным, узнаем осенью.

Выполняя взятые на себя обязательства, я постарался сделать задачи не слишком трудными. Впрочем, это замечание не касается последней задачи (оценка трудности которой - сама по себе трудная задача).

Еще одна цель, которую я преследовал, составляя задачи - избавиться от чрезмерного перекоса в сторону компьютерщины. Впрочем, от самого компьютера участникам избавляться не стоит, кое-где он пригодится.

Более ранний, по сравнению с предыдущими, старт конкурса не окажет существенного влияния на его дальнейший календарь. Как обычно, активная фаза конкурса начнется осенью. Это не значит, что нельзя решать задачи и присылать решения уже сейчас.Стать участником марафона может любой желающий. Некоторые задачи вполне доступны школьникам. Для решения других требуются знания, выходящие за рамки школьного курса. Одни задачи могут показаться вам интересными, а другие - не очень. На вкус и на цвет…

Но если любите поломать голову над нестандартными задачами, участвуйте, не стесняйтесь.

Жду от вас комментариев марафонских задач, а также пожеланий Марафону. Эта обратная связь позволит сделать Марафон интереснее для вас.

Не забывайте, пожалуйста, присылать вместе с Вашими решениями свои эстетические оценки задач по пятибалльной шкале.

Ведущий Марафона — Vladimir letsko

Текущие задачи

ММ221

Конкурсная задача ММ221[/color] (4 балла) Решения принимаются до 08.09.2017

Сколько решений в натуральных числах имеет уравнение 3x⁴ + 2y³ = 37^z ?

ММ222

Конкурсная задача ММ222[/color] (5 баллов) Решения принимаются до 15.09.2017

На доске написано 10 попарно различных натуральных чисел. После того как 5 из этих чисел разделили на 5, а другие 5 умножили на 5 умножили на 5 возникли 10 попарно различных натуральных чисел, отличных от исходных. При этом сумма новых чисел оказалась в 3 раза больше суммы исходных.
Пусть n – наименьшее возможное значение наибольшего из исходных чисел, для которых возможна описанная ситуация.
Сколько существует различных наборов исходных чисел с наибольшим числом n+1?

ММ223

Конкурсная задача ММ223[/color] (6 баллов) Решения принимаются до 22.09.2017

Рассмотрим две задачки.

1. Вася получил за четверть 5 оценок по географии. Ему удалось незаметно исправить в журнале первую из них с тройки на пятерку. Выставляя итоговую оценку, учительница находит среднюю оценку и округляет ее до целой. Какова вероятность, что Васина оценка за четверть повысится при условии, что учительница не выявит подлога, а все допустимые упорядоченные наборы оценок равновероятны?

2. Вася получил за четверть 5 оценок по географии. Ему удалось незаметно исправить в журнале первую попавшуюся из них с тройки на пятерку. Выставляя итоговую оценку, учительница находит среднюю оценку и округляет ее до целой. Какова вероятность, что Васина оценка за четверть повысится при условии, что учительница не выявит подлога, а все допустимые упорядоченные наборы оценок равновероятны?

Какое из условий выгоднее для жуликоватого Васи?

Примечание: Был ли журнал электронным – не важно. Но важно, что колы не ставим: разрешается использовать только оценки 2, 3, 4, 5

ММ224

Конкурсная задача ММ224[/color] (6 баллов) Решения принимаются до 22.09.2017

В задаче, которую задали на дом Пете и Васе, требовалось найти площади треугольников, на которые разбивается исходный треугольник ABC трисектрисами, проведенными из вершины C. При сверке ответов у Пети и Васи совпали значения двух площадей: 2 и 4. Третья площадь у Пети оказалась равной 10, а у Васи — 20. Найти угол С, если известно, что один из учеников получил за домашнее задание пятерку.

ММ225

Конкурсная задача ММ225[/color] (6 баллов) Решения принимаются до 06.10.2017

Найти все значения параметра a, при которых уравнение (2a+3)x² + xa + 3a - 1 = 0 имеет два целых корня.

ММ226

Конкурсная задача ММ226[/color] (5 баллов) Решения принимаются до 13.10.2017

Назовем натуральное число n счастливым, если оно является точной седьмой степенью, а седьмой (при упорядочении по возрастанию) натуральный делитель n равен количеству натуральных делителей n. А есть ли, вообще, счастье в жизни? В смысле, существуют ли счастливые числа?

ММ227

Конкурсная задача ММ227[/color] (7 баллов) Решения принимаются до 20.10.2017

Пусть $n = {p_1}^{a_1}{p_2}^{a_2}...{p_s}^{a_s}$ - каноническое разложение n. Обозначим через sopf(n) число p_1+p_2+...p_s .
Назовем натуральное число k слабым, если уравнение x = k·sopf(x) неразрешимо в натуральных числах, и сильным в противном случае.
Доказать, что сильных чисел бесконечно много.
Найти наименьшее слабое число.
Доказать, что слабых чисел бесконечно много.

Терминология ММ228-230

Несколько (не менее трех) прямых на плоскости называются прямыми общего положения, если любые 3 их них высекают треугольник. На рисунке 1 представлены 7 прямых общего положения.

Внешним контуром конфигурации n прямых общего положения назовем многоугольник, высекаемый данными прямыми. На рисунке 1 это красный девятиугольник ABCDEFGHJ.
Внешним циклом конфигурации назовем список количеств вершин внешних областей конфигурации, перечисленных в порядке обхода этих областей (направление и начало обхода не важны). Внешний цикл конфигурации, представленной на рисунке 1: (1, 2, 3, 3, 1, 3, 1, 5, 1, 2, 2, 2, 2, 2).
Выпуклыми вершинами внешнего контура назовем вершины, в которых углы меньше развернутого. На рисунке 1 выпуклыми вершинами являются A, C, E, J.
Обратными вершинами назовем вершины внешнего контура, углы при которых больше развернутого. На рисунке 1 это вершины B, D, F, G, H.
Элементарными отрезками назовем отрезки, концы которых являются соседним точками пересечения одной из прямых конфигурации с другими прямыми. Отрезок CD на рисунке 1 элементарен, а отрезок BC – нет.
Элементарными многоугольниками назовем многоугольники, стороны которых являются элементарными отрезками (одна сторона – один отрезок). Например, треугольник DEF на рисунке 1 элементарен, а треугольник BCD – нет.
Впадиной назовем участок внешнего контура между двумя соседними выпуклыми вершинами, содержащий хотя бы одну обратную вершину. Конфигурация, изображенная на рисунке 1 имеет 3 впадины ABC, CDE и EFGHJ.
Вектором граней конфигурации назовем упорядоченный набор из n-2 чисел (где n – количество прямых), первое из которых равно количеству элементарных треугольников, второе – количеству элементарных четырехугольников и т. д. Вектор граней конфигурации, представленной на рисунке 1 – [7, 7, 1, 0, 0].

ММ228

Конкурсная задача ММ228[/color] (4 балла) Решения принимаются до 27.10.2017

Какое наименьшее число элементарных четырехугольников может быть в конфигурации из семи прямых общего положения?

ММ229

Конкурсная задача ММ229[/color] (7 баллов) Решения принимаются до 03.11.2017

Петя нарисовал на доске несколько прямых общего положения так, что все попарные точки пересечения прямых попали на чертеж.
Вася выписал себе в тетрадь внешний цикл возникшей конфигурации: (1, 4, 3, 1, 4, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2, 4, 2, 1, 3).
После этого Петя стер рисунок. Сможет ли Вася восстановить:
1) количество прямых;
2) количество элементарных многоугольников:
3) количество выпуклых вершин;
4) количество элементарных отрезков, ограничивающих внешний контур;
5) количество сторон выпуклой оболочки внешнего контура;
6) суммарное число сторон элементарных многоугольников;
7) количество обратных вершин;
8) количество впадин;
9) количество сторон внешнего контура?

Примечание: Вася – умный.

ММ230

Конкурсная задача ММ230[/color] (15 баллов) Решения принимаются до 01.12.2017

Может ли вектор граней конфигурации нескольких прямых общего положения начинаться с чисел 157, 5250, 52?

Разбор задач

ММ220

Конкурсная задача ММ220 (15 баллов)

Найти наименьшее v такое, что существует многогранник, имеющий v вершин и 2016 диагоналей, а многогранника, имеющего v+1 вершину и 2016 диагоналей, не существует.

Решение

Привожу все поступившие решения этой трудной задачи: Анатолия Казмерчука, Олега Полубасова и Владислава Франка (как обычно сохранившего в итоговом решении весь тернистый путь к нему).
В качестве авторского решения привожу текст доклада, написанного под моим руководством Михаилом Корневым при участии Ивана Кравченко. Доклад имеет отношение не только к ММ220, но и еще к восьми задачам конкурса. Ответ к разбираемой задаче легко получается применением формул, выведенных во втором параграфе.

Обсуждение

До финиша 22-го марафонского конкурса добрались 3 (с лишним )участника. С учетом тенденций прошлых конкурсов и сложности заключительной задачи такой итог был вполне предсказуем, хотя ведущий, с присущим ему оптимизмом, до последнего надеялся на лучшее.

Как это часто практикуется в Марафоне, вопрос задачи ММ220 был частным. Но в данном случае обобщение задачи не только естественно, но, по сути, необходимо. Поскольку проще всего искать ответ к задаче, исследуя вопрос о возможных количествах диагоналей многогранников с фиксированным числом вершин в общем виде. В связи с этим обстоятельством прибавки за обобщение и рассмотрение других случаев задачи несущественны по отношению к базовой стоимости.

Возможные количества диагоналей, а также мощности множеств возможных количеств диагоналей для относительно небольших значений v приведены здесь: Приложения. Интересно, что вторая из этих последовательностей обнаружилась в OEIS: A023536. При этом в описании последовательности никакие диагонали многогранников не упоминались.
В связи с нынешним конкурсом в OEIS появился и целый ряд новых последовательностей:
A279015 - наибольшее возможное количество диагоналей многогранников с данным числом граней;
A279019 - наименьшее возможное количество диагоналей простых многогранников с данным числом граней;
A279022 - наибольшее возможное количество диагоналей многогранников с данным числом ребер;
A279647 - возможные значения количеств диагоналей многогранников с данным числом граней;
A279679 - возможные значения количеств диагоналей многогранников с данным числом ребер;
A279681 - возможные значения количеств диагоналей многогранников с данным числом вершин.

В этом списке не хватает не только тривиальных случаев, типа «Наименьшее возможное количество диагоналей многогранников с данным числом граней (вершин)», но и нескольких содержательных вариаций. Наибольшие возможные количества диагоналей многогранников с данным числом вершин описываются треугольными числами. А вот , например, вопрос о наименьшем возможном количестве диагоналей простых многогранников с данным числом вершин (коих в данном случае, разумеется должно быть четное число) ждет своего исследователя.

Любопытно, что исчерпывающее описание возможных значений количеств диагоналей многогранников с данным числом вершин удалось получить вопреки тому обстоятельству, что задача существования многогранников с требуемым вектором граней (участвующим в формуле подсчета числа диагоналей) в общем виде (насколько мне известно) до сих пор не решена. (Отмечу, что условия (2) - (5) из решения Олега Полубасова, насколько я могу судить, не дают решения для общего случая.)

Я пробовал применить технику (введение параметра, отвечающего за количество вершин вне грани с наибольшим числом сторон), приведшую к полному описанию возможных значений количеств диагоналей многогранников с данным числом вершин, к аналогичным задачам в случаях, когда фиксируется количество граней или ребер. Но ничего хорошего из этого не вышло. Вместо отрезков натурального ряда, сплошь заполненных возможными значениями, возникает какое-то решето Возможно, иной подход окажется удачнее. Но «ручное» вычисление начальных значений A279647 и A279679 оптимизма не внушает - каких-либо закономерностей не видно.

Награды

За решение и обобщение ММ220 Анатолий Казмерчук получает 17 призовых баллов, а Олег Полубасов и Владислав Франк - по 15 призовых баллов.
За некоторые соображения по решению Владимир Чубанов получает 3 призовых балла.

Эстетическая оценка задачи - 4.7 балла

ММ219

Конкурсная задача ММ219 (8 баллов)

Какое наибольшее количество диагоналей может иметь одиннадцатигранник?

Решение задачи ММ219

ММ218

Конкурсная задача ММ218 (5 баллов)

Найти наименьшее возможное количество диагоналей многогранника, имеющего 2017 ребер.

Решение задачи ММ218

ММ217

Конкурсная задача ММ217 (6 баллов)

Диагонали AC₁ и BD₁ шестигранника ABCDA₁B₁C₁D₁, все грани которого четырехугольны, пересекаются в точке O. Могут ли остальные пары диагоналей скрещиваться?

Решение задачи ММ217

ММ216

Конкурсная задача ММ216 (10 баллов)

Назовем натуральное число n красивым, если наименьшее натуральное число, имеющее ровно n натуральных делителей, кратно n.
1. Доказать, что все праймориалы красивы.
2. Верно ли, что все факториалы красивы?
3. Сколько существует красивых чисел вида k⁷, где k - некоторое натуральное число?
4. Сколько существует красивых чисел вида 7^k, где k - некоторое натуральное число?

Решение задачи ММ216

ММ215

Конкурсная задача ММ215 (4 балла)

На какое наименьшее количество тетраэдров можно разрезать шестиугольную призму?

Решение задачи ММ215

ММ214

Конкурсная задача ММ214 (4 балла)

1. Все грани многогранника - n-угольники. При каких n это возможно?
2. При каком наименьшем числе граней существует многогранник, все грани которого пятиугольны?

Решение задачи ММ214

ММ213

Конкурсная задача ММ213 (4 балла)

1. Пусть H = {h₁, h_2,…, h_f} , где f - количество граней, а h_i - число сторон i -й грани. Какое наименьшее значение может принимать f-|H| ?
2. Пусть g_i означает число i-угольных граней многогранника для каждого значения i . Могут ли все g_i не превышать 2?

Решение задачи ММ213

ММ212

Конкурсная задача ММ212 (4 балла)

Доказать, что любой многогранник, имеющий 2016 вершин, может быть разрезан на 4030 тетраэдров.

Решение

Решение задачи ММ212

ММ211

Конкурсная задача ММ211 (3 балла)

Доказать, что при любом четном f > 4 существует многогранник, имеющий f граней, все грани которого четырехугольники.

Решение задачи ММ211