Shortlist 2025, C1¶
Domaine : Combinatoire · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : U.S.A.
Concepts : Principe des tiroirs · Récurrence et constructions récursives · Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau
Solution officielle : Shortlist officielle 2025 (avec solutions), section C1 (livret PDF)
Problème 1 de l'OIM 2025
Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2025, où il était le problème 1 (jour 1).
Énoncé¶
Let \(n \geq 3\) be an integer, and let \(S_n\) be the set of points \((x, y)\) in the plane such that \(x\) and \(y\) are nonnegative integers and \(x + y < n\). A line in the plane is called interesting if it is not parallel to the \(x\)-axis, the \(y\)-axis, or the line \(x + y = 0\).
Determine all nonnegative integers \(k\) such that there exist \(n\) lines satisfying both of the following:
- the union of the \(n\) lines contains every point of \(S_n\), and
- exactly \(k\) of the lines are interesting.
Indices : les idées clés
- Principe des tiroirs : le bord du triangle \(T\) contient \(3n - 3 > 2n\) points de \(S_n\), donc l'une des \(n\) droites en contient au moins trois : c'est un côté de \(T\), donc une droite non intéressante.
- Récurrence et constructions récursives : en retirant ce côté, on passe de \(n\) à \(n - 1\) sans changer \(k\) ; on se ramène ainsi à \(n = 3\).
- Géométrie combinatoire : enveloppe convexe, points du réseau : pour \(n = 3\), on liste les droites intéressantes passant par deux points de \(S_3\) (il n'y en a que trois).
Solutions
La solution ci-dessous suit la solution officielle de la Shortlist 2025 (une solution).
Réponse : pour tout \(n \geq 3\), les valeurs possibles sont \(k = 0\), \(k = 1\) et \(k = 3\).
Solution¶
Appelons ennuyeuse une droite qui n'est pas intéressante, et disons que le couple \((n, k)\) est bon s'il existe \(n\) droites, dont exactement \(k\) intéressantes, dont la réunion contient \(S_n\). Soit \(T\) le triangle délimité par les droites \(x = 0\), \(y = 0\) et \(x + y = n - 1\).
Lemme. Si \(n \geq 4\), \((n, k)\) est bon si et seulement si \((n - 1, k)\) est bon.
Preuve. Si \((n - 1, k)\) est bon, on prend \(n - 1\) droites couvrant \(S_{n-1}\), dont exactement \(k\) intéressantes, et on ajoute la droite ennuyeuse \(x + y = n - 1\) : ces \(n\) droites couvrent \(S_n\) et exactement \(k\) sont intéressantes.
Réciproquement, supposons \((n, k)\) bon avec \(n \geq 4\). Le bord de \(T\) contient \(3n - 3 > 2n\) points de \(S_n\). Si \(n\) droites couvrent \(S_n\), par le principe des tiroirs l'une d'elles, disons \(\ell\), rencontre le bord de \(T\) en au moins trois points. Alors \(\ell\) est un côté de \(T\), donc ennuyeuse. Les \(n - 1\) autres droites couvrent \(S_n\) privé des points de \(\ell\), et exactement \(k\) d'entre elles sont intéressantes. Or \(S_n\) privé des points de \(\ell\) est un translaté de \(S_{n-1}\), donc \((n - 1, k)\) est bon. \(\square\)
D'après le lemme (par récurrence), les valeurs possibles de \(k\) ne dépendent pas de \(n\) ; il suffit de traiter \(n = 3\). Les constructions pour \(k = 0, 1, 3\) sont les suivantes (en bleu, les droites intéressantes) :
- \(k = 0\) : les droites \(y = 0\), \(y = 1\) et \(y = 2\) ;
- \(k = 1\) : les droites \(y = 0\), \(y = 1\) et n'importe quelle droite intéressante passant par \((0, 2)\) (sur la figure, \(2x + y = 2\)) ;
- \(k = 3\) : les droites \(x = y\), \(2x + y = 2\) et \(x + 2y = 2\).
Pour \(k > 3\), il n'y a pas assez de droites (\(n = 3\)). Montrons enfin que \(k = 2\) est impossible pour \(n = 3\). Supposons que trois droites couvrent \(S_3\), dont exactement deux intéressantes.
Cas 1 : une des droites contient trois points de \(S_3\). C'est alors un côté de \(T\), donc une droite ennuyeuse. Les points de \(S_3\) qu'elle ne couvre pas forment un translaté de \(S_2\), qui doit être couvert par les deux droites intéressantes. C'est impossible, car toute droite passant par deux points de \(S_2\) est ennuyeuse.
Cas 2 : aucune droite ne contient trois points. Comme \(S_3\) a \(6\) points, chaque droite en contient exactement deux. Or il n'y a que trois droites intéressantes contenant exactement deux points de \(S_3\) : \(x = y\), \(2x + y = 2\) et \(x + 2y = 2\). On ne peut pas couvrir \(S_3\) avec deux d'entre elles et une droite ennuyeuse (les deux points restants sont toujours ceux de la troisième droite intéressante).
Donc \(k = 2\) est impossible, et la réponse est \(k \in \{0, 1, 3\}\). \(\blacksquare\)