Một điểm lưới là một điểm trên mặt phẳng tọa độ sao cho , là các số nguyên dương không vượt quá 20. Ta nói điểm nằm về phía Đông Bắc của điểm nếu và . Ba điểm lưới , , được gọi là một bộ ba Đông Bắc nếu nằm về phía Đông Bắc của và nằm về phía Đông Bắc của .

Một tập hợp gồm 20 điểm lưới được gọi là Lam Sơn nếu mọi đường thẳng đi qua hai điểm trong tập hợp đều không song song với các trục tọa độ, đồng thời tập hợp chứa ít nhất một bộ ba Đông Bắc.

a) Chứng minh rằng trong mỗi tập Lam Sơn luôn tồn tại ba điểm , , sao cho .

b) Hỏi có bao nhiêu tập Lam Sơn?

Đáp án chính thức: Tự luận
Hướng dẫn giải chi tiết
a) Chọn một bộ ba Đông Bắc của tập hợp và viết



Khi đó đều là các số nguyên dương. Vì thế



b) Vì không có đường thẳng qua hai điểm nào song song với một trục tọa độ nên các hoành độ đôi một khác nhau và các tung độ đôi một khác nhau. Vì tập hợp có 20 điểm nên sau khi sắp xếp các điểm theo hoành độ tăng dần, tập hợp bao gồm các điểm dạng



trong đó là một hoán vị của .

Ba điểm với tạo thành một bộ ba Đông Bắc khi và chỉ khi .

Ta có kết quả sau về số Catalan:

Bổ đề: Số hoán vị của sao cho không tồn tại ba chỉ số thoả mãn điều kiện bằng .

Chứng minh bổ đề: Gọi là số lượng hoán vị như trên của tập hợp .

Trước hết, ta sẽ đưa bài toán về việc đếm các hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho . Ta gọi là một LIM nếu với mọi .

Xét một hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho . Ta có nhận xét rằng các phần tử không phải LIM phải xuất hiện theo thứ tự giảm dần.

Thật vậy, giả sử có hai vị trí sao cho đều không phải LIM và . Vì không phải LIM nên tồn tại sao cho . Khi đó và , vô lý.

Do đó, một hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho được xác định duy nhất nếu biết vị trí và giá trị của các LIM: các số còn lại chỉ cần được điền vào các vị trí còn trống theo thứ tự giảm dần.

Bây giờ, vẫn giữ nguyên vị trí và giá trị của các LIM. Ta đi từ trái sang phải qua các vị trí còn trống; tại mỗi vị trí, nếu là LIM gần nhất ở bên trái, ta điền số nhỏ nhất chưa được sử dụng và lớn hơn .

Hoán vị thu được không tồn tại ba chỉ số sao cho . Thật vậy, giả sử tồn tại sao cho . Gọi là LIM gần nhất đứng trước vị trí . Khi đó . Nhưng tại thời điểm điền vào vị trí , số vẫn chưa được sử dụng và lớn hơn , trái với cách chọn là số nhỏ nhất chưa được sử dụng và lớn hơn .

Ngược lại, từ một hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho , ta giữ nguyên các LIM và điền các số còn lại theo thứ tự giảm dần. Theo nhận xét trên, ta thu được duy nhất một hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho .

Như vậy, tồn tại một song ánh giữa hai tập hoán vị trên. Do đó, ta chỉ cần đếm số hoán vị không tồn tại ba chỉ số sao cho , và vẫn ký hiệu số lượng này là .

Xét một hoán vị thỏa mãn điều kiện trên. Giả sử . Khi đó, hoán vị được chia thành hai phần:

- Phần bên trái gồm phần tử đứng trước : .
- Phần bên phải gồm phần tử đứng sau : .

Từ đây ta suy ra được:

- Mọi phần tử nằm ở bên trái trong bắt buộc phải lớn hơn mọi phần tử nằm ở bên phải trong . Thật vậy, nếu tồn tại và sao cho , thì do , ta có ba phần tử xuất hiện theo thứ tự từ trái sang phải và thỏa mãn . Khi đó tồn tại ba chỉ số sao cho , vô lý. Do đó, tập hợp các giá trị của là , còn tập hợp các giá trị của là .
- Cả hai phần và cũng không tồn tại ba chỉ số sao cho phần tử thứ nhỏ hơn phần tử thứ và phần tử thứ nhỏ hơn phần tử thứ .

Để ý số cách chọn phần bên trái có độ dài là và số cách chọn phần bên phải có độ dài là . Suy ra , và vì nên đây là dãy Catalan hay , bổ đề được chứng minh.

Do đó, trong hoán vị của , có đúng hoán vị không tạo ra bộ ba Đông Bắc.

Vậy số tập hợp Lam Sơn là .
Câu hỏi này trích từ đề thi chính thức:

Đề Thi Học Sinh Giỏi cấp tỉnh - chọn đội tuyển tham dự kỳ thi chọn học sinh giỏi quốc gia THPT - Thanh Hóa - Ngày 1

3 câu hỏi•Thời gian 180 phút•Chấm điểm & giải thích chi tiết

Các câu hỏi khác trong đề (3 câu)

Xem toàn bộ đề →
Luyện nhanh tại chỗ • Chọn đáp án để kiểm tra ngay

Thử sức thêm các câu hỏi trắc nghiệm cùng môn

Câu luyện thêm 1Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Trong mặt phẳng tọa độ , cho đường thẳng . Đường thẳng nào sau đây trùng với đường thẳng ?
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 2Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Trong mặt phẳng tọa độ , tìm tọa độ tâm và bán kính của đường tròn có phương trình .
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 3Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Cho hàm số có đồ thị như hình vẽ.

Hình từ đề gốc

Phương trình trục đối xứng của là
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 4Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Cho biểu đồ lượng mưa trung bình trong một tháng từ tháng 1 đến tháng 12 của thành phố X trong năm 2025.

Hình từ đề gốc

Lượng mưa trung bình của mỗi tháng tương ứng trong biểu đồ là hàm số . Với giá trị nào của thì có giá trị lớn nhất?
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 5Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Trong mặt phẳng tọa độ , cho hai đường thẳng và . Vị trí tương đối của hai đường thẳng và là
Xem trang câu hỏi →
Câu luyện thêm 6Trích từ: Đề Giữa Học Kỳ II Toán 10 2024-2025 - Đề Số 1
Cho hàm số . Tọa độ đỉnh của đồ thị hàm số đã cho là
Xem trang câu hỏi →

Muốn biết hiện tại bạn đạt khoảng bao nhiêu điểm ở môn này? Làm thử đề nhanh 15 phút để hệ thống chấm điểm ngay.

Làm đề nhanh 15 phút ngay