Математика · 7 класс · Олимпиада СПб 2022/23 · районный тур

Задача 2. Три построения

Условие

Каждый из 2525 детей держит в руках табличку с ненулевым числом (возможно, отрицательным), все эти числа разные. Дети построились в ряд по убыванию чисел (первое — самое большое), и Петя оказался десятым по счету. Затем дети построились по убыванию чисел, обратных к исходным (напомним, что обратным к числу aa называется число 1/a1/a), и Петя оказался шестнадцатым. Наконец, дети построились по убыванию квадратов исходных чисел (все квадраты оказались разными). Каким по счету может оказаться Петя? Приведите все варианты и объясните, почему других нет.

Второй вариант этой задачи

На олимпиаде соседи по парте получают разные варианты. Условие второго варианта:

Каждый из 1919 детей держит в руках табличку с ненулевым числом (возможно, отрицательным), все эти числа разные. Дети построились в ряд по убыванию чисел (первое — самое большое), и Вася оказался восьмым по счету. Затем дети построились по убыванию чисел, обратных к исходным (напомним, что обратным к числу aa называется число 1/a1/a), и Вася оказался двенадцатым. Наконец, дети построились по убыванию квадратов исходных чисел (все квадраты оказались разными). Каким по счету может оказаться Вася? Приведите все варианты и объясните, почему других нет.

Его решение и ответ — в последнем шаге разбора.

О задаче · 7 класс
Олимпиада
Санкт-Петербургская олимпиада школьников по математике, 89-я (2023)
Этап
I тур (районный)
Предмет / класс
Математика · 7 класс
Дата
19 ноября 2022 г.

Сначала предположи: одно место может быть у Пети в третьем ряду или несколько? Потом попробуй собрать такой класс — на бумаге или в модели «Собери свой класс»: там можно менять знак числа на табличке или вписать любое число, а модель сама выстроит три ряда и покажет места Пети. Добейся, чтобы Петя был десятым по числам и шестнадцатым по обратным, и посмотри на ряд по квадратам. Получится ли другое место?

Ответ — все места, которые Петя может занять в ряду по квадратам: для каждого места нужен пример класса с проверкой и объяснение, почему других мест нет.

Записать идею

Личный черновик для заметок и расчётов. Он никуда не отправляется и не проверяется.

Исследуй задачу

Самостоятельное исследованиеСобери свой класс

Пробуй свои варианты. Разбор останется закрытым.

Исследуй задачу

Собери свой класс

Меняй числа на табличках детей — модель сама выстроит три ряда: по числам, по обратным и по квадратам — и покажет, каким по счёту окажется Петя в каждом.

Если модель не открылась (выключен JavaScript или страница загрузилась не полностью), условие, подсказки и разбор доступны и без неё.

Подсказка для решения без модели

Без JavaScript модель не работает. Выпиши 25 разных ненулевых чисел (одно из них — у Пети) так, чтобы не было двух чисел с одинаковым квадратом. Расставь по убыванию сами числа, потом обратные к ним, потом квадраты и посчитай, каким оказывается Петя в каждом ряду. Добейся, чтобы он был десятым и шестнадцатым.

Подсказка 1

Смотри не на весь ряд сразу, а на пару «Петя и ещё один ребёнок». Может ли этот ребёнок стоять впереди Пети и в ряду по числам, и в ряду по обратным? А ни в одном из них? Выясни, от чего это зависит — подумай о знаках двух чисел.

Подсказка 2

Если числа двух детей одного знака, то у большего числа обратное меньше. Значит, такой ребёнок стоит впереди Пети ровно в одном из двух первых рядов. Ребёнок с положительным числом при отрицательном Пете впереди в обоих рядах, а с отрицательным при положительном Пете — ни в одном. Сосчитай, сколько всего раз дети стоят впереди Пети в двух первых рядах, и сравни это число с количеством остальных детей.

Разобрать решение по шагам
1

Место — это сколько детей впереди

Быть десятым в ряду — значит, что впереди стоят 99 детей. Поэтому в ряду по числам у 99 детей число больше, чем у Пети, а в ряду по обратным у 1515 детей обратное число больше, чем у Пети.

Скажем, что ребёнок обгоняет Петю в ряду, если стоит в этом ряду впереди него. В двух первых рядах вместе получается

9+15=249+15=24

обгона. А детей, кроме Пети, тоже 25−1=2425-1=24. Такое совпадение подсказывает, что делать дальше: выяснить, сколько раз один ребёнок может обогнать Петю в двух первых рядах.

2

Обратные числа переворачивают порядок

Возьмём два числа одного знака (оба положительные или оба отрицательные), a<ba<b. Вычтем их обратные:

1a−1b=b−aab.\frac1a-\frac1b=\frac{b-a}{ab}.

Числитель b−ab-a положителен, потому что b>ab>a. Знаменатель abab тоже положителен: произведение двух чисел одного знака положительно. Значит, 1a>1b\frac1a>\frac1b — у меньшего числа обратное больше. Например, 2<52<5, но 12>15\frac12>\frac15; −5<−2-5<-2, но −15>−12-\frac15>-\frac12.

А если знаки разные, порядок не переворачивается. Обратное число того же знака, что и само число, поэтому у положительного числа и обратное положительное, а у отрицательного — отрицательное. Например, 3>−53>-5 и 13>−15\frac13>-\frac15.

3

Сколько раз ребёнок обгоняет Петю

Пусть у Пети число pp, а у другого ребёнка — число xx. Разберём все случаи.

  • Знаки одинаковые. Если x>px>p, ребёнок обгоняет Петю в ряду по числам, а в ряду по обратным — нет: по шагу 2 1x<1p\frac1x<\frac1p. Если x<px<p — наоборот. Получается ровно один обгон.
  • Число xx положительное, а pp отрицательное. Тогда x>px>p и 1x>0>1p\frac1x>0>\frac1p: два обгона.
  • Число xx отрицательное, а pp положительное. Тогда x<px<p и 1x<0<1p\frac1x<0<\frac1p: ни одного обгона.

Равенств не бывает: все числа разные, а у разных чисел и обратные разные. Таблица под этим шагом показывает все четыре сочетания знаков на примерах.

у Пети 4(положительное)у Пети −5(отрицательное)у ребёнкачисло > 0у ребёнкачисло < 01 разребёнок 77 > 4да1/7 < 1/4нет2 разаребёнок 33 > −5да1/3 > −1/5да0 разребёнок −3−3 < 4нет−1/3 < 1/4нет1 разребёнок −2−2 > −5да−1/2 < −1/5нет«да» — ребёнок впереди Пети:в 1-й строке — в ряду по числам,во 2-й — в ряду по обратным
Сколько раз другой ребёнок обгоняет Петю в двух первых рядах — для всех сочетаний знаков. Числа одного знака дают ровно один обгон, положительный ребёнок при отрицательном Пете — два, отрицательный при положительном — ни одного.
4

Считаем обгоны

Пусть число Пети положительное. Каждый ребёнок с положительным числом обгоняет его один раз, а с отрицательным — ни разу. Значит, обгонов столько, сколько у остальных детей положительных чисел, — не больше 2424. А обгонов ровно 2424. Значит, у всех 2424 остальных детей числа положительные.

Пусть число Пети отрицательное. Каждый ребёнок с отрицательным числом обгоняет его один раз, а с положительным — два раза, то есть на один раз больше. Значит, обгонов 2424 плюс количество детей с положительными числами. Чтобы обгонов было ровно 2424, положительных чисел быть не должно: все числа отрицательные.

Итак, у всех 2525 детей числа одного знака — того же, что у Пети.

5

Ряд по квадратам

Если все числа положительные, то у большего числа и квадрат больше: при 0<a<b0<a<b

a⋅a<a⋅b<b⋅b.a\cdot a<a\cdot b<b\cdot b.

Значит, ряд по квадратам такой же, как ряд по числам, и Петя в нём десятый.

Если все числа отрицательные, то всё наоборот: при a<b<0a<b<0 числа −a-a и −b-b положительные и −a>−b-a>-b, поэтому

a2=(−a)2>(−b)2=b2.a^2=(-a)^2>(-b)^2=b^2.

У меньшего числа квадрат больше: например, −5<−2-5<-2, но 25>425>4. Значит, ряд по квадратам — это ряд по числам задом наперёд. В ряду по числам за Петей стоят 25−1−9=1525-1-9=15 детей — в ряду по квадратам они окажутся перед ним, и Петя шестнадцатый.

6

Оба места бывают

Осталось показать, что оба ответа действительно получаются.

  • Числа 1,2,…,251,2,\ldots,25, у Пети 1616. Больше 1616 — числа 17,…,2517,\ldots,25, их 99: Петя десятый. Обратные больше 116\frac1{16} у чисел 1,…,151,\ldots,15, их 1515: Петя шестнадцатый. Квадраты больше 162=25616^2=256 у тех же 99 чисел 17,…,2517,\ldots,25: по квадратам Петя десятый.
  • Числа −1,−2,…,−25-1,-2,\ldots,-25, у Пети −10-10. Больше −10-10 — числа −1,…,−9-1,\ldots,-9, их 99: Петя десятый. Обратное −1k-\frac1k больше −110-\frac1{10}, когда 1k<110\frac1k<\frac1{10}, то есть при k=11,…,25k=11,\ldots,25 — таких чисел 1515: Петя шестнадцатый. Квадраты больше 100100 у чисел −11,…,−25-11,\ldots,-25, их 1515: по квадратам Петя шестнадцатый.

В обоих примерах все числа разные и ненулевые, все квадраты тоже разные. На рисунке под этим шагом видно, почему ответы разные: в обоих классах справа от Пети 99 больших чисел, слева 1515 меньших, а большие квадраты оказываются по разные стороны.

Ответ: десятым или шестнадцатым.

Все числа положительные: 1, 2, …, 259 чисел больше 16:впереди по числам и по квадратам025Петя: 1615 чисел меньше 16:впереди по обратнымПетя: 10-й, 16-й, по квадратам 10-йВсе числа отрицательные: −25, …, −19 чисел больше −10:впереди по числам0−25Петя: −1015 чисел меньше −10:впереди по обратным и по квадратамПетя: 10-й, 16-й, по квадратам 16-й
Оба примера на числовой прямой. Петя (красная точка) в обоих классах стоит так, что 99 чисел больше его числа (синие) и 1515 меньше (оранжевые). У положительных чисел квадрат больше у синих — Петя десятый по квадратам, у отрицательных — у оранжевых, и Петя шестнадцатый.
7

Второй вариант

Рассуждение то же, меняются только числа. Вася восьмой по числам — впереди 77 детей; двенадцатый по обратным — впереди 1111 детей. Всего обгонов

7+11=18,7+11=18,

а детей, кроме Васи, 19−1=1819-1=18 — снова ровно по одному обгону на каждого.

Как в шагах 2–4: ребёнок того же знака обгоняет Васю ровно один раз, с положительным числом при отрицательном Васе — два раза, с отрицательным при положительном — ни разу. Поэтому если число Васи положительное, все 1919 чисел положительные, ряд по квадратам совпадает с рядом по числам, и Вася восьмой. Если отрицательное — все числа отрицательные, ряд по квадратам — ряд по числам задом наперёд: перед Васей окажутся 19−1−7=1119-1-7=11 детей, и он двенадцатый.

Примеры: числа 1,2,…,191,2,\ldots,19 и у Васи 1212 — места 88, 1212, 88; числа −1,−2,…,−19-1,-2,\ldots,-19 и у Васи −8-8 — места 88, 1212, 1212.

Ответ: восьмым или двенадцатым.

Проверка

Примеры проверены в шаге 6: все три ряда пересчитаны прямо по определению. Проверим и сам вывод. Компьютер с точными дробями расставлял детей в три ряда обычной сортировкой. Он перебрал все классы из 11–99 детей с числами ±1,±2,…\pm1,\pm2,\ldots при любых знаках и любом выборе Пети: всегда число обгонов равно числу остальных детей минус число отрицательных (если у Пети число положительное) или плюс число положительных (если отрицательное). Затем он перебрал все 5 8505\,850 возможных устройств класса из 2525 детей — знак числа Пети и сколько остальных положительных и отрицательных чисел больше и меньше его по модулю — на конкретных дробях: когда Петя десятый и шестнадцатый, по квадратам он только десятый (все числа положительные) или шестнадцатый (все отрицательные). То же на 4 0004\,000 случайных классах со случайными дробями. Перебор подтверждает ответ, но доказательство — шаги 1–5: они годятся для любых чисел.

Ответ

1 вариант. Десятым или шестнадцатым. Обгонов в двух первых рядах 9+15=249+15=24 — ровно по одному на каждого из остальных детей, поэтому все числа одного знака: если положительные, Петя десятый и по квадратам, если отрицательные — шестнадцатый. Оба случая бывают (шаг 6).

2 вариант. Восьмым или двенадцатым.

Ответ

1 вариант. Десятым или шестнадцатым. Обгонов в двух первых рядах 9+15=249+15=24 — ровно по одному на каждого из остальных детей, поэтому все числа одного знака: если положительные, Петя десятый и по квадратам, если отрицательные — шестнадцатый. Оба случая бывают (шаг 6).

2 вариант. Восьмым или двенадцатым.

Главная идея

Сравниваем Петю с каждым ребёнком отдельно и считаем, сколько раз тот стоит впереди него в двух первых рядах. Ребёнок с числом того же знака — ровно один раз (у обратных порядок переворачивается), положительный при отрицательном Пете — два раза, отрицательный при положительном — ни разу. Обгонов 9+15=249+15=24 — ровно по одному на каждого, поэтому все числа одного знака; для положительных ряд по квадратам повторяет ряд по числам, для отрицательных — переворачивает его.

Признаки: известны места одного человека в нескольких упорядочениях, а спрашивают о другом упорядочении. Сравни героя с каждым по отдельности и посчитай, в скольких рядах тот впереди: сумма «мест минус один» даёт общее число таких обгонов. Если оно совпадает с наибольшим или наименьшим возможным значением, все участники устроены одинаково (здесь — одного знака).

Где легко ошибиться

Считать, что ряд по обратным — это всегда ряд по числам задом наперёд, и сразу ответить «десятый» или «шестнадцатый». Порядок переворачивается только у чисел одного знака: у положительного числа обратное больше, чем у любого отрицательного. Другая ошибка — найти один пример и решить, что место одно, или привести оба примера, но не объяснить, почему других мест нет. И ещё: забыть, что у отрицательных чисел квадрат больше у меньшего числа (−5<−2-5<-2, но 25>425>4).

Источник и авторство

Санкт-Петербургская олимпиада школьников по математике · 89-я олимпиада (2023 год) · I тур (районный), 19 ноября 2022 г. · 7 класс, задача 2. Та же задача была в 8 классе (задача 2); разбор общий. Листки 7 и 8 классов этого тура озаглавлены также «Районный этап Всероссийской олимпиады школьников».

Условия (PDF организатора, первый вариант) ↗ · Листки олимпиады, оба варианта (ZIP организатора) ↗ · Страница олимпиады 2023 года ↗ · Сайт олимпиады ↗

Условие первого варианта — из файла организатора, второй вариант переписан с листка. Подсказки, решение и модель — Popov Academy. Организатор не публикует решений районного тура. Ответы обоих вариантов получены двумя независимыми решениями и совпали; где можно, проверены перебором или вычислением.

На сайте олимпиады: «Распространение представленных материалов разрешается и приветствуется.»

Продолжить тему: Неравенства и экстремумы →
Увеличенный рисунок