На круглом ожерелье висят n > 3 бусинок, каждая покрашена в красный или синий цвет. Если у какой-то бусинки соседние с ней бусинки покрашены одинаково, ее можно перекрасить (из красного в синий или из синего в красный). При каких n из любой исходной раскраски бусинок можно сделать ожерелье, в котором все бусинки покрашены одинаково?
(С. Берлов)
Докажем, что при нечетной длине ожерелья все бусинки можно сделать одноцветными. Любое ожерелье разбивается на блоки подряд идущих бусинок одинакового цвета. Среди них обязан присутствовать блок нечетной длины (допустим, красный). Перекрасим в нём сначала все бусинки с четным номером, а потом все остальные его бусинки. В результате этот блок станет синим и сольётся с соседними синими блоками количество блоков уменьшится. Рано или поздно останется один блок, чего мы и хотели. Приведем два объяснения, почему четные n не подходят.
I способ. (инвариант). Легко убедиться, что при любом перекрашивании количество пар соседних бусинок вида к-к либо не меняется, либо меняется ровно на 2, т. е. в любом случае не меняется четность этого числа. То же самое верно и про число пар вида с−с. В одноцветном ожерелье (четной длины) оба эти количества четны. Поэтому из ожерелья, в котором оба эти количества нечетны, нельзя получить ни одно из двух одноцветных ожерелий. При четном n таково, например, ожерелье
II способ. (критические ожерелья). Для n, кратного четырём, рассмотрим ожерелье
Если n четно, но имеет вид немного изменим вид критического ожерелья:
После этого перекрашивания ожерелье будет иметь тот же вид (чередующиеся пары к−к и с−с и один блок с−с−с−с) и его можно будет лишь заменить за две операции обратно на исходное.
Ответ: при всех нечетных n.