|
|
 |
Условие
В клетках квадратной таблицы $n\times n$, где n > 1, требуется расставить различные целые числа от 1 до $n^2$ так, чтобы каждые два последовательных числа оказались в соседних по стороне клетках, а каждые два числа, дающие одинаковые остатки при делении на n, – в разных строках и в разных столбцах. При каких n это возможно?Решение
Пронумеруем столбцы и строки от 1 до n соответственно слева направо и сверху вниз, а также раскрасим доску в шахматном порядке так, чтобы угловая клетка в первом столбце и первой строке была чёрной.
Пусть n – чётное. Заполним таблицу числами от 1 до $n^2$ так: ставим их друг за другом, начиная от 1, сначала в первой строке слева направо, а потом – вдоль столбцов: вниз по последнему столбцу, вверх по предпоследнему, и т.д. (получается что-то похожее на змейку). В итоге число $n^2$ окажется прямо под 1, см. пример для n=6 на рисунке.
Заменим теперь числа на их остатки по модулю n: 0, 1, ..., n-1 (см. рисунок).
Нетрудно доказать, что они расставлены следующим образом: для нечётного столбца последнее (нижнее) число совпадает с первым числом следующего чётного столбца и вторым числом следующего нечётного.
Значит, каждый столбец начинается с остатка i, равного своему номеру, кроме n-го, который начинается с нуля, причём в чётных столбцах остатки идут по возрастанию c i до n-1, а потом с нуля до i-1, а в нечётных – по убыванию с i до 0, а потом с n-1 до i+1.
Докажем, что в каждой строке все остатки различны. Пусть в какой-то строке совпали два остатка. Они не могут находиться в столбцах одной чётности – такие столбцы получаются друг из друга циклическим сдвигом. Значит, один остаток находится в чётном столбце, а второй – в нечётном. Но тогда эти два остатка стоят на клетках разного цвета и не могут совпадать, противоречие.
Предположим, что удалось заполнить таблицу при нечётном n. К противоречию можно прийти по-разному.
Первый способ.
Заметим, что в нашей шахматной раскраске чёрными окажутся те клетки, сумма номеров строки и столбца которых чётна, а белыми – остальные. В нашей змейке чисел от 1 до $n^2$ цвета клеток чередуются, поэтому числа одной чётности находятся в чёрных клетках, а другой чётности – в белых.
Рассмотрим клетки таблицы, в которых стоят числа, дающие остаток k при делении на n. Сумма их номеров строк и столбцов по условию равна (1+2+3+...+ n)+(1+2+3+...+ n), так как каждая строка и каждый столбец участвуют по одному разу; в частности, эта сумма чётна. Но у каждой белой клетки сумма «координат» нечётна, а у каждой чёрной – чётна, следовательно, число белых клеток среди рассмотренных чётно.
Взяв k=1 и k=2, получаем, что среди чисел с остатком 1 чётное количество находится на белых клетках, и среди чисел с остатком 2 – тоже. Но для каждого числа с остатком 1 следующее за ним число имеет остаток 2 и стоит на клетке противоположного цвета. Значит, на чёрных клетках стоит чётное количество чисел с остатком 2 и всего чисел с остатком 2 чётно – противоречие с нечётностью n.
Второй способ. Заменим числа на их остатки от деления на n и проведём стрелку из каждой клетки с единицей в соседнюю клетку с двойкой. У нас имеется n стрелок, соединяющих единицы и двойки. У некоторых стрелок могут быть парные – стрелки противоположного направления, занимающие те же два ряда (см. рисунок). Но число стрелок нечётно, поэтому найдётся стрелка без пары.
Пусть, например, такая стрелка горизонтальна и ведёт из i-го столбца в (i+1)-й (см.рисунок).
В (i+1)-м столбце тоже есть единица.
Поскольку у первой стрелки нет пары, вторая стрелка может вести только в (i+2)-й столбец (двойка в (i+1)-м столбце уже занята).
В (i+2)-м столбце тоже есть единица, и стрелка из неё может вести только в (i+3)-й столбец (двойки в (i+1)-м и (i+2)-м столбцах уже заняты).
Продолжая, дойдём до единицы в n-м столбце, откуда стрелке идти уже некуда.
Противоречие.
