Solución del problema de abril del 2003

La lista de diez afirmaciones que se muestra abajo, están numeradas del 1 al 10, para que usted pueda determinar el número n. Desafortunadamente, sucede que algunas de estas afirmaciones son falsas.

  1. Por lo menos una de las dos últimas afirmaciones en esta lista es cierta.

  2. Esta es la primera afirmación cierta, o es la primera afirmación falsa de la lista

  3. Esta lista contiene por lo menos tres afirmaciones consecutivas falsas.

  4. La diferencia entre el número que corresponde a la última afirmación cierta y el número que corresponde a la primera afirmación cierta es un divisor de n.

  5. La suma de los números correspondientes a las afirmaciones que son ciertas es igual a n.

  6. Esta no es la ultima afirmación cierta.

  7. Cada uno de los números correspondientes a las afirmaciones que son ciertas es un divisor de n.

  8. Exactamente n% de las afirmaciones en esta lista son ciertas.

  9. El número de divisores de n que son mas grandes que 1 y menores que n es mas grande que la suma de los números correspondientes a las afirmaciones ciertas.

  10. Esta lista no contiene tres afirmaciones consecutivas que sean ciertas.

El problema de abril:

Encuentre n.

Solución de MP32

Recibimos soluciones correctas de Martín Argerami (Regina), Pierre Bornsztein (Francia), Normand Laliberté (Ontario), Patrick J. LoPresti (Massachusetts), Juan Mir Pieras (España), and Alexander Potapenko (Rusia). Nuestra solución combina las ideas de todos estos corresponsales; ésta se desarrolla en cinco pasos. Antes de empezar tenemos que acordar que cualquier afirmación debe de ser verdadera o falsa; mas precisamente, si una afirmación no es verdadera, entonces es necesariamente falsa y, contrariamente, si una afirmación no es falsa, entonces es necesariamente verdadera. Regresaremos a este asunto mas adelante.

Notación: Sn se refiere a la afirmación n-ésima de la lista.

Paso 1. La afirmación 1 es falsa.
Si S2 fuera verdadera, entonces sería la primera afirmación verdadera, implicando que S1 es falsa. Si S2 fuera falsa, entonces no sería la primera afirmación falsa, así que S1 tendría que ser falsa. De donde, no importa cual es el valor verdadero de S2, S1 debe de ser falsa. Ya que S1 es falsa inmediatamente deducimos que S9 y S10 son también falsas. En suma, aquí esta lo que sabemos hasta este punto.

Afirmación Valor verdadero Implicaciones confirmadas
1 Falsa Ambas S9 y S10 son falsas.
9 Falsa El número de divisores no triviales de n es a lo mas la suma de los números de las afirmaciones verdaderas
10 Falsa La lista contiene 3 afirmaciones consecutivas verdaderas

Paso 2. La afirmación 6 es verdadera.
S6 no puede se falsa: Si fuera falsa, entonces sería la última afirmación verdadera, la cual se contradice a sí misma. De donde S6 debe de ser verdadera. Del paso 1 sabemos que las afirmaciones 9 y 10 son falsas, de aquí deducimos que

por lo menos una de entre las afirmaciones S7 o S8 es verdadera:

Paso 3. S7 es verdadera y S8 es falsa.
Vemos fácilmente que exactamente una de entre las afirmaciones S7 o S8 es verdadera: si S7 y S8 son ambas verdaderas, entonces de S7 (junto con el paso 2) tenemos que n ≥ 6·7·4> 100, lo cual contradice S8. Del paso 2 sabemos que por lo menos una de ellas es verdadera, por lo tanto debemos decidir entre dos posibilidades:

Caso A. S8 es verdadera y S7 es falsa
Caso B. S7 es verdadera y S8 es falsa.

Primero suponga el caso A; rápidamente vemos que esta situación no es compatible con S3. Si fuera S3 verdadera (mientras que S8 es verdadera y S7 es falsa) tendríamos

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (sujeto a S3 y S8     
F ? T ? ? T F T F F verdaderas y S7 falsa.)

Con este arreglo no habría lugar para tres afirmaciones consecutivas falsas, lo cual contradice S3 (que hay por lo menos tres afirmaciones consecutivas falsas.)
Por otra parte, si fuera S3 falsa (mientras S8 es verdadera y S7 es falsa),

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (sujeto a S3 and S7 verdaderas
F ? F ? ? T F T F F y S8 verdadera).

Con S3 falsa no podría haber mas que dos afirmaciones consecutivas falsas, así que S2 sería necesariamente verdadera, y (de la falsedad de S10 en el paso 1) S4 y S5 serían verdaderas así que podrían haber tres afirmaciones consecutivas verdaderas. En esta situación hipotética la suma de las afirmaciones verdadera serían 2+4+5+6+8 = 25, contradiciendo S8 (la cual dice que n = 50% de las afirmaciones que son verdaderas). Conclusión: No podemos tener el Caso A.

Por lo tanto, S7 es verdadera y S8 es falsa. Con S8 falsa, S3 se vuelve verdadera (la lista en efecto contiene tres afirmaciones consecutivas verdaderas.) Nuestro conocimiento actual es por lo tanto,

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
F ? T ? ? T T F F F

Paso 4. S5 es falsa.
Porque S6 y S7 son verdaderas (pasos 2 y 3), sabemos que n es un múltiplo de 6.7 = 42, así que n ≥ 42. S5 dice que n es la suma de los números de las afirmaciones de las afirmaciones verdaderas, pero lo más grande que esta suma pudiera ser (en este punto) es 2+3+4+5+6+7 = 27 < 42; por lo tanto, S5 es falsa. Aún mas, ya que sabemos que S10 es falsa por el paso 1, debemos tener tres afirmaciones consecutivas verdaderas así que S2 y S4 deben de ser verdaderas. Consecuentemente, sabemos que el valor verdadero de todas las diez afirmaciones es:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
F T T T F T T F F F

Paso 5. Calcular n.
Aquí está un resumen de lo que se sabe sobre n.

Afirmación Valor verdadero Implicaciones Confirmadas
4 Verdadera La diferencia entere los números de las últimas afirmaciones verdaderas y la primera afirmación verdadera es un divisor de n:
7 – 2 = 5 divide a n
7 Verdadera El número de cada una de las afirmaciones verdaderas divide a n: 2, 3, 4, 6 y 7 todos dividen a n, asi (junto con 5) n = 22·3·5·7·k = 420k for some k ≥ 1.
9 Falsa El número de divisores no triviales de n es a lo mas la suma de los números de las afirmaciones verdaderas.

Para termina, usaremos ahora la negación de S9. 420 tiene 24 divisores, así que tiene 22 divisores no triviales. Esto es, n = 420k tiene por lo menos 22 divisores no triviales. La suma de los números de afirmaciones verdaderas es 2+3+4+6+7 = 22 la cual (por S9 que es falsa) no puede ser más pequeña que el número de divisores no triviales de n. Entonces, 420 logra ya el número máximo de 22 divisores. Concluimos que k = 1 y por lo tanto, n = 420.

Algunos comentarios mas.
Nos enteramos de este problema por un colega belga que archivó la referencia a este problema equivocadamente después de haberlo traducido del inglés original cuando apareció en los pasados ochentas. No tenemos manera de saber quien creó este ingenioso problema; a la mejor alguien que lea esta página puede decirnos el autor y donde fue originalmente publicado este problema.

LoPresti señaló dos asuntos. Primero él indicó que cero es también una solución –cero es ciertamente un número, y satisface todas las condiciones e implicaciones de las diez afirmaciones. (La afirmación de nuestro problema en la página en francés establece explícitamente que n debe de ser positiva, lo cual inmediatamente elimina a cero.) A pesar de que uno generalmente asume que la palabra número se refiere a un número entero positivo en cualquier contexto que involucra contar y divisibilidad, esto es matemáticas y debemos evitar ambigüedades tanto como sea práctico. Debimos haber establecido que n es un entero positivo (como era la intención.)

El otro punto señalado es mas profundo y más serio. El se pregunta si se puede asumir que las afirmaciones auto-referidas tienen un valor de verdad bien definido. Seguramente que una oración como,

“Esta oración es falsa”

no se le pude permitir –si la oración fuera verdadera entonces, por lo que dice, debe de ser falsa, mientras que si la oración fuera falsa entonces, por lo que dice, debe de ser verdadera. En contraste, una cualidad deliciosa de nuestro sistema de diez afirmaciones entrelazadas es que existe una forma de asignarles un valor de verdad a cada una de las afirmaciones. Aún más, como nuestra solución lo demuestra, esta forma de asignar un valor de verdad es la única que es consistente. Los problemas causados por las afirmaciones auto-referidas ayudaron, a comienzos del siglo, a motivar una re-reexaminación de las fundaciones de las matemáticas; hoy, un siglo después aún no hay una solución satisfactoria a estos problemas difíciles. Lo bueno es que la mayoría de las matemáticas están muy lejos de estas dificultades, y podemos felizmente hacer matemáticas, dejando a los logístas que se preocupen por las fundaciones.