给定正整数n,正六边形的六个顶点处各写有一个非负整数,其和为n.现在可以进行如下操作:擦掉一个顶点上的数,然后写上相邻两个顶点上的数的差的绝对值.求所有的n,使得无论开始时写有哪些整数,都可以进行一系列操作,使得每个顶点上的数都是0.
分析与解 若六个数的奇偶性按顺时针顺序依次为偶,奇,奇 ,偶,奇,奇,则无论怎样操作,这六个数的奇偶性都不会变,故不能通过一系列操作使得每个顶点上的数都是0,因此所有不小于4的偶数都不满足题目条件,下面证明其它数都满足题目条件.
当n=2时,所有数最多有2个1或者1个2,分类讨论易知一定能变成全0.
下面仅考虑n是奇数的情况,我们证明更强的命题:只要初始六个数的奇偶性不是偶,奇,奇,偶,奇,奇(或者其轮换形式),也不全为偶数,那么一定能通过有限次操作使得所有数都变成0.
对其中最大的数进行归纳,最大数为1时枚举易知结论一定成立.
假设最大数小于k时命题成立,考虑最大数等于k的情况.事实上,我们只需要证明可以通过一系列操作,使得等于k的数的个数减少(每次只要减少,数次以后一定变成所有数都小于k),而且六个数的奇偶性不是偶,奇,奇,偶,奇,奇(或者其轮换形式),也不是全为偶数即可.
不妨设六个数顺次为a1,a2,⋯,a6,且a1=k,由于可将a1换成|a2−a6|,所以只需要讨论一下两种情况.
情况1 |a2−a6|=k,由于0⩽a2,a6⩽k,由对称性不妨设a2=k,a6=0.
(1.1) 若a3≠0,则将a2换成|a1−a3|<k,注意到若a1,|a1−a3|,a3,a4,a5,a6的奇偶性为偶,奇,奇,偶,奇,奇(或者其轮换形式)或全偶数,则由a6=0知a3为偶数,且a1,|a1−a3|,a4,a5奇偶性相同,这说明a1,a2,a4,a5奇偶性相同(a1=a2),即a1,a2,⋯,a6也是偶,奇,奇,偶,奇,奇(或者其轮换形式)或全偶数,矛盾.故可以将a2换成|a1−a3|<k,等于k的数的个数减少一个.
(1.2) 若a3=0,易知a4,a5不能与k奇偶性相同(否则奇偶性有问题),不妨设a4与k奇偶性不同,则先将a3换成a2−a4=k−a4,再将a2换成a1−(k−a4)=a4,最后将a3换成a4−a4=0,此时等于k的数的个数减少一个,且a1,a4奇偶性不同,不会有奇偶性的问题.
情况2 |a2−a6|,a2,⋯,a6的奇偶性恰为偶,奇,奇,偶,奇,奇(或者其轮换形式)或全偶数,但a1,a2,⋯,a6的奇偶性不是这样.由对称性分三种情况.
(2.1) a1,a2,a3,a5,a6都是奇数,a4是偶数.若a2,a3,a5,a6中有等于k的,考虑将这个k换成周围两个数之差的绝对值,则不会出现情况2,化归为普通情况或情况1,可以解决.若a2,a3,a5,a6都不等于k,则先将a2换为k−a3,再将a1换成|k−a3−a6|即可.
(2.2) a1,a2,a5是偶数,a3,a4,a6是奇数.先将a2换为k−a3,再将a1换成|k−a3−a6|即可.
(2.3) a1是奇数,a2,a3,a4,a5,a5都是偶数.若a3≠0,则先将a2换为k−a3,再将a1换成|k−a3−a6|即可;同理,若a5≠0,也可以操作.若a3=a5=0,则可以将a2,a6都换成k,再将a1换成0,最后将a2,a4,a6都换成0即可.
综上所述,满足题目条件的n为所有正奇数及2.