С левого берега реки на правый с помощью одной лодки переправились N туземцев, каждый раз плавая направо вдвоем, а обратно — в одиночку. Изначально каждый знал по одному анекдоту, каждый — свой. На берегах они анекдотов не рассказывали, но в лодке каждый рассказывал попутчику все известные ему на данный момент анекдоты. Для каждого натурального k найдите наименьшее возможное значение N, при котором могло случиться так, что в конце каждый туземец знал, кроме своего, еще не менее чем k анекдотов.
Достаточность такого количества туземцев доказывается по индукции. Действительно, для достаточно двух туземцев, которые переправляются вместе на другой берег. Если для достаточно 2m туземцев, то для сначала (в соответствии с предположением индукции) могут переправиться на правый берег 2m туземцев, каждый из которых узнает при этом не менее m анекдотов, а затем каждый из них поочередно переплывает по одному разу на левый берег и перевозит оттуда одного из оставшихся там туземцев, узнав по дороге его анекдот и рассказав ему не менее анекдота, известного ему на тот момент. В результате каждый из туземцев узнает не менее новых анекдотов.
Остается показать, что меньшего числа туземцев недостаточно.
Способ I. Облегчим задачу: пусть N туземцев не переправляются через реку, а просто совершают не более прогулки вдвоем по озеру с возвращением в компанию. Докажем, что даже в этой задаче
Построим граф: вершины — туземцы, ребро соединяет плывших вместе. В этом графе N вершин и ребро (если некоторые пары катались вместе более одного раза, то в этом графе есть кратные ребра). Если N для данного k выбрано минимальным, то этот граф связен. Действительно, в противном случае рассмотрим компоненту связности, в которой ребер меньше, чем вершин (при этом их меньше максимум на 1 в силу связности), и выполним только рейсы из этой компоненты. Раз этот граф связен и имеет ребро, он является деревом (в частности, не имеет кратных ребер).
Докажем теперь при помощи индукции по k, что База очевидна. Для доказательства шага выкинем из графа ребро, соответствующее первому рейсу. Граф распадется на 2 компоненты связности. В каждой знают не более одного анекдота из другой компоненты. Значит, каждый знает не менее k анекдотов из своей компоненты (считая свой). По предположению индукции, в каждой из компонент не менее туземцев, а всего — не менее 2k.
Способ II. Назовем индексом туземца число известных ему анекдотов сверх своего. Туземцев с ненулевым индексом назовем богатыми, остальных — бедными, а капиталом туземца с индексом z назовем число 2−m (здесь следует отметить, что так определенный капитал уменьшается с ростом количества анекдотов, известных туземцу).
Для моментов времени, в которые лодка находится на правом берегу, вычислим число S как сумму капиталов всех богатых туземцев (независимо от того, на каком берегу они находятся) минус количество L богатых туземцев на левом берегу. При первом появлении лодки на правом берегу Докажем, что S по мере переправы не уменьшается. Между последовательными попаданиями лодки на правый берег возможны 3 вида случаев: количество богатых туземцев в лодке на пути с левого берега на правый оказалось равным 0, 1 или 2.
В случае нуля богатых туземцев в лодке двое бедных по дороге на правый берег стали богатыми и увеличили S на Но на левый берег лодку перегонял богатый туземец, который на левом берегу и остался, увеличив L на 1. Значит, в этом случае S не изменилась.
Рассмотрим случай одного богатого туземца в лодке. Число L в этом случае не изменилось. Севший в лодку богатый знал (помимо своего) m анекдотов, его капитал был равен 2−m. Теперь он и его спутник знают (помимо своих) по анекдоту, и сумма их капиталов равна то есть вновь S не изменилась.
Наконец, в случае двух богатых туземцев в лодке число L уменьшается на 1, а сумма капиталов приплывших на правый берег богатых туземцев уменьшается, но, будучи изначально не более она уменьшается менее чем на 1. Тем самым, в итоге S увеличилась.
Итак, в конце а капитал каждого туземца не более 2–k. Значит, туземцев не менее 2k.
Ответ: 2k.