← Маршрут ЕГЭ
Тема 62 из 72 · Теория чисел

Инвариант и полуинвариант

Поиск сохраняющейся величины (инварианта) в задаче на процесс

ТГ-каналПодписывайся · там же запись на вводный урок t.me/algo_math ↗
Содержание 10 разделов
  1. 1. Метод инварианта: что это и зачем
  2. 2. Алгоритм поиска инварианта
  3. 3. Самые частые инварианты в ЕГЭ
  4. Инвариант 1: Чётность суммы
  5. Инвариант 2: Остаток от деления
  6. Инвариант 3: Шахматная раскраска
  7. 4. Реальные примеры из ЕГЭ
  8. Задача 1 (хамелеоны)
  9. Задача 2 (камни, ЕГЭ-2022)
  10. 5. Типичные ошибки

1. Метод инварианта: что это и зачем

Инвариант — это величина или свойство, которое не меняется при разрешённых операциях.

Зачем это нужно: чтобы доказать, что некоторое состояние недостижимо. Если в начальном состоянии инвариант имеет одно значение, а в конечном — другое, то переход невозможен.

Простой пример из жизни: представьте, что у вас есть 10 монет. Вы можете менять их на купюры, но общая сумма денег остаётся той же. Сумма — это инвариант. Если кто-то утверждает, что после обменов у вас стало больше денег, вы можете сказать: «Нет, сумма не меняется, значит, это невозможно».

Важно

Инвариант — это «якорь», который не даёт системе уйти в невозможное состояние. Найди его — и задача решена.

2. Алгоритм поиска инварианта

  1. Понять операции. Что разрешено делать? Какие действия выполняются над объектами?
  2. Найти величину, которая не меняется. Это может быть сумма, разность, остаток от деления, чётность, цвет клеток.
  3. Вычислить её в начальном состоянии.
  4. Вычислить её в предполагаемом конечном состоянии.
  5. Сравнить. Если значения разные — переход невозможен.

3. Самые частые инварианты в ЕГЭ

Инвариант 1: Чётность суммы

Утверждение: при замене двух чисел их суммой или разностью чётность общей суммы сохраняется.

Почему: если $a$ и $b$ заменить на $a+b$, то новая сумма изменится так: $S_{\text{нов}} = S_{\text{стар}} - a - b + (a+b) = S_{\text{стар}}$. Сумма вообще не меняется (не только чётность). Если заменить на $a-b$: $S_{\text{нов}} = S_{\text{стар}} - a - b + (a-b) = S_{\text{стар}} - 2b$. Разность $2b$ всегда чётна, значит чётность суммы сохраняется.

Пример

На доске написаны числа 1, 2, 3, 4. Разрешается стереть два числа и написать их сумму. Может ли на доске остаться нечётное число?

  1. Начальная сумма: $1+2+3+4=10$ (чётная).
  2. При замене двух чисел их суммой общая сумма не меняется.
  3. Значит, сумма всегда остаётся чётной.
  4. Нечётное число — это сумма из одного числа. Если на доске осталось одно нечётное число, то сумма всех чисел (равная этому числу) была бы нечётной.
  5. Противоречие: сумма должна быть чётной, а она нечётная.

Ответ: нет, не может.

Инвариант 2: Остаток от деления

Утверждение: если при операции к числу прибавляется число, кратное $k$, то остаток от деления на $k$ сохраняется.

Почему: если $a$ заменяется на $a + k \cdot t$, то $a$ и $a + k \cdot t$ дают одинаковый остаток при делении на $k$.

Пример (ЕГЭ-2022, камни)

В трёх коробках: 64, 77 и 0 камней. За ход берут по одному камню из любых двух коробок и кладут в третью.

Рассмотрим разность между количеством камней во второй и первой коробках.

  1. Изначально: $77 - 64 = 13$.
  2. После операции разность меняется на $0$, $+3$ или $-3$.
  3. Значит, остаток от деления разности на $3$ сохраняется.
  4. $13 \equiv 1 \pmod 3$.
  5. Если в третьей коробке 141 камень, то в первой и второй по 0. Разность: $0$.
  6. $0 \equiv 0 \pmod 3$, а должно быть $1$ → противоречие.

Ответ: нет, не может.

Инвариант 3: Шахматная раскраска

Утверждение: при шахматной раскраске клетки $(i,j)$ имеют цвет, зависящий от чётности $i+j$. Если $i+j$ чётно — клетка одного цвета, если нечётно — другого.

Почему: при переходе на соседнюю клетку (вверх, вниз, влево, вправо) $i+j$ меняется на $1$, значит, цвет меняется на противоположный.

Пример

Доска $8\times8$ без двух противоположных угловых клеток. Можно ли замостить домино?

  1. В шахматной раскраске на доске $8\times8$ по 32 клетки каждого цвета.
  2. Противоположные угловые клетки — одного цвета (например, белого).
  3. После удаления двух белых клеток остаётся: белых — 30, чёрных — 32.
  4. Каждая доминошка покрывает 1 белую и 1 чёрную клетку.
  5. Для замощения нужно поровну клеток каждого цвета — а их не поровну.

Ответ: нет, нельзя.

4. Реальные примеры из ЕГЭ

Задача 1 (хамелеоны)

Задача из ЕГЭ (хамелеоны)

На острове живут 13 серых, 15 бурых и 17 малиновых хамелеонов. При встрече двух хамелеонов разного цвета они оба меняют свой цвет на третий. Может ли случиться, что через некоторое время все хамелеоны станут одного цвета?

Решение (инвариант).

  1. Рассмотрим разность между количеством бурых и серых хамелеонов: $B - S$.
  2. Изначально: $15 - 13 = 2$.
  3. Как меняется эта разность при операциях?
    • Встретились серый и бурый → оба становятся малиновыми. $B$ уменьшается на 1, $S$ уменьшается на 1 → разность не меняется.
    • Встретились серый и малиновый → оба становятся бурыми. $S$ уменьшается на 1, $B$ увеличивается на 2 → разность увеличивается на $3$.
    • Встретились бурый и малиновый → оба становятся серыми. $B$ уменьшается на 1, $S$ увеличивается на 2 → разность уменьшается на $3$.
  4. Значит, остаток от деления разности $B-S$ на $3$ сохраняется.
  5. Изначально $B-S = 2 \equiv 2 \pmod 3$.
  6. Если все хамелеоны одного цвета, то либо $B-S = 45$ (все бурые), либо $B-S = -45$ (все серые), либо $B-S = 0$ (все малиновые).
  7. $45 \equiv 0 \pmod 3$, $-45 \equiv 0 \pmod 3$, $0 \equiv 0 \pmod 3$.
  8. Ни одно из этих значений не сравнимо с $2$ по модулю $3$.

Ответ: нет, не может.

Задача 2 (камни, ЕГЭ-2022)

Задача из ЕГЭ (камни)

В трёх коробках: 64, 77 и 0 камней. За ход берут по одному камню из любых двух коробок и кладут в третью.

а) Может ли быть (64;59;18)?

б) Может ли в третьей быть 141 камень?

в) Если в первой 1 камень, какое максимальное число камней может быть в третьей?

Решение.

  1. Пункт а) Да. Покажем последовательность шагов: $(64;77;0) \to (63;76;2) \to (62;75;4) \to (64;74;3) \to (63;73;5) \to (62;72;7) \to (61;74;6) \to \dots$ → в итоге можно получить $(64;59;18)$.
  2. Пункт б) Нет. Рассмотрим разность между второй и первой коробками: $77 - 64 = 13$. При операции разность меняется на $0$, $+3$ или $-3$. Значит, остаток от деления на $3$ сохраняется: $13 \equiv 1 \pmod 3$. Если в третьей 141 камень, то в первой и второй по 0, разность $0 \equiv 0 \pmod 3$ — противоречие.
  3. Пункт в) Если в первой коробке 1 камень, то разность $b-1$ должна иметь остаток $1 \pmod 3$ (так как $13 \equiv 1 \pmod 3$). Значит, $b-1 \equiv 1 \pmod 3$ → $b \equiv 2 \pmod 3$. Минимальное $b \ge 0$ с таким остатком — это $b=2$. Тогда в третьей коробке: $141 - 1 - 2 = 138$.

Ответ: а) да; б) нет; в) 138.

5. Типичные ошибки

Ошибка Как правильно
Выбрать неинвариантную величину Проверьте, действительно ли она не меняется при всех операциях.
Забыть про остатки Часто инвариант — это остаток от деления на $k$.
Не учесть все операции Проверьте инвариантность для всех разрешённых операций.
Путать инвариант и полуинвариант Инвариант не меняется, полуинвариант только возрастает или убывает.
Не проверить достижимость Если вы нашли оценку, обязательно покажите пример, где она достигается.