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Solución del problema de febrero, 2007

El problema:
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Sophie y Sally recibieron un rompecabezas cada una para Navidad. El de Sophie era una grilla de 10 por 10 que debe ser llenada por un cierto número de piezas de 1 por 4, y cierto número de piezas de 2 por 2, usando todas las piezas. El de Sally también era una grilla de 10 por 10 que debía ser llenada por un cierto número de piezas de 1 por 4, y por cierto número de piezas de 2 por 2, usando todas las piezas. Sophie pudo terminar el suyo en 2 minutos y medio, y Sally el suyo en 4 minutos. Luego intercambiaron los rompecabezas, y Sophie hizo el de Sally en en 4 minutos y 20 segundos, mientras que Sally completó el de Sophie en 3 minutos y 12 segundos. Luego volvieron a sus rompecabezas originales, pero Sophie le dio a Sally una de sus piezas de 1 por 4, y Sally a Sophie una de sus piezas de 2 por 2. Nuestro problema: ¿cuánto le llevó a cada una terminar su rompecabezas esta vez?

 
Respuestas correctas:
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Recibimos respuestas correctas de 

Saïd Amghibech (Québec)

Xavier Hecquet (Francia)

Gérard Billion (Francia)

Normand LaLiberté (Ontario)

Lou Cairoli (USA)

Matthew Lim (USA)

K.A. Chandrashekara (India)

Jean-Luc Luyet (Suiza)

Derek DiCesare (East Kentwood)

Mark Pilloff (USA)

Philippe Fondanaiche (Francia)

Ananda Raidu (India)

Zac Friggstad (Edmonton)

Ryan Tifenbach (Regina)

La solución:

El rompecabezas no puede resolverse luego del cambio de piezas. Hubo cierto desacuerdo respecto a cuánto le llevaría a Sophie y Sally darse cuenta, pero la mayoría opinó que abandonaron luego de un tiempo finito.
            Nuestro problema de febrero está adaptado de un problema del capítulo 2 ("Coloring Proofs") en Problem Solving Strategies de Arthur Engel, (Problem Books in Mathematics. Springer-Verlag, New York, 1998.)  Agradecemos a Matthieu Dufour por presentarnos el problema. De alguna manera hemos omitido decir que Sophie y Sally no son realmente dos niñas, sino los gatos del vecino.

cats

Además, hemos (tal vez poco sabiamente) formulado el problema sugiriendo que hasta un gato podría completar el rompecabezas luego del cambio de piezas. Pedimos perdón a todos aquellos que pasaron una tarde en cálculos inútiles. Efectivamente, si se colorea el tablero de 10 x 10 como en la figura,

Figure 2
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
  
  
  
  
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 

es fácil convencerse de que el rompecabezas puede ser completado solamente si hay un número impar de piezas de 2 x 2: cada pieza de 2 x 2 cubre exactamente un cuadrado rojo, mientras que cada pieza de 1 x 4 cubrirá 0 ó 2 cuadrados rojos; como hacen falta 25 piezas para cubrir el tablero, tiene que haber un número impar de aquellas que cubren un cuadrado rojo.  Como sabemos que el rompecabezas fue completado tanto por Sophie como por Sally, sabemos que el número total de piezas de 2 x 2 era impar.  Luego del intercambio, cada una tiene un número par de piezas de 2 x 2, de manera que ya no es posible completar ninguno de los rompecabezas. 

            Amghibech y Cairoli nos enviaron la solución presentada arriba. Hemos recibido también otras astutas soluciones. He aquí dos más. Y otras pueden ser vistas en nuestra página en francés.

Coloreando el tablero a la manera de Billion.
Tomemos el rompecabezas completado y coloreemos las columnas verticales alternativamente en blanco y rojo. Quitemos las piezas de 2 x 2 y aquellas de 1 x 4 puestas horizontalmente. Estas piezas tendrán un mismo número de cuadrados de cada color, de manera que las piezas restantes también tendrán un mismo número de cuadrados de cada color. Pero las piezas de 1 x 4 que quedan tendrán todos sus cuadrados en rojo, o todos en blanco, lo que implica que el número de piezas de 1 x 4 colocadas verticalmente es par. Del mismo modo vemos que el número de piezas de 1 x 4 colocadas horizontalmente debe ser par. Concluimos que el rompecabezas completado debe tener un número par de piezas de 1 x 4; luego, no puede completarse el rompecabezas usando una piezas más de 1 x 4 tile, ni usando una menos.

Argumento combinatorio.  Un ejemplo de este tipo de solución es la de Tifenbach:
Supongamos el rompecabezas resuelto con el número adecuado de piezas de 1 x 4 y 2 x 2.  Sea s(j) el número de cuadrados en la fila j (empezando de arriba) cubierto por 1 x 4's verticales.  Cada s(j) es par, ya que los 1 x 4 horizontales y los 2 x 2 cubren 4 y 2 cuadrados, respectivamente, de cada fila, y esa fila tiene 10 cuadrados. Sea t(j) el número de 1 x 4 verticales cuyo tope está en la fila j.  t(1) = s(1), y entonces t(1) es par. Además, por recursión vemos que cada t(j) es par:

s(j) = t(j–3) + t(j–2) + t(j–1) + t(j)

(donde los t indefinidos son cero).  Como el número de 1 x 4 verticales es la suma de los t, t(1) + t(2) + ... + t(7), deducimos que el número total de 1 x 4 es par. Un argumento análogo prueba que el número de 1 x 4 horizontales también es par, o sea que el número tota l de 1 x 4 es par. Si Sophie y Sally resuelven sus rompecabezas y luego intercambian un 1 x 4 por un 2 x 2, ambas pasan a tener un número impar de 1 x 4. Ninguna puede terminar el rompecabezas.

 

 

 


Centro matemático es un servicio ofrecido por la Universidad de Regina y The Pacific Institute for the Mathematical Sciences.

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