Manfred Börgens
Mathematische Probleme  # 69
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Ein Kettenproblem


Eine Kette hat  n  Perlen, die je zur Hälfte weiß und schwarz sind. Die Kette kann geschlossen oder offen sein, so wie im folgenden Bild:

Ketten


Aus der Kette soll ein zusammenhängendes Teilstück der Länge  m  geschnitten werden, in dem ebenfalls gleich viele weiße und schwarze Perlen sind. Es stellt sich die Frage, ob das immer geht. Durch Ausprobieren erhält man schnell Gegenbeispiele, z.B.  n = 12 ,  m = 8  für die offene Kette (schreibt man weiße Perlen als  0  und schwarze als  1 , so lässt sich aus der Kette  000111111000  kein Teilstück der Länge  8  schneiden, das je vier weiße und schwarze Perlen enthält).

Wir wollen nun das Problem präzise formulieren.  n  und  m  sollen gerade Zahlen sein mit  2  m < n . Eine Kette (geschlossen oder offen) soll  n/2  weiße und  n/2  schwarze Perlen enthalten; dabei ist jede Reihenfolge möglich. Das Zahlenpaar (n,m) soll kompatibel heißen, wenn zu jeder Kette der Länge  n  (n - Kette) ein Teilabschnitt der Länge  m  (m - Abschnitt) existiert, in dem jeweils  m/2  weiße und schwarze Perlen sind. Nicht kompatible Paare (n,m) nennen wir inkompatibel.

Im einfachsten Fall der offenen Kette ist  m = n/2 . Dann kann man die  n - Kette in zwei disjunkte  m - Abschnitte einteilen, und darin liegt auch schon die Beweisidee für (n,m) kompatibel. Das kann man zunächst an kleinen Beispielen wie (n,m) = (8,4) ausprobieren. Eine naheliegende Verallgemeinerung ist dann die Kompatibiltät bei  m | n  ( m  ist Teiler von  n ). Wer hierzu einen Tipp haben möchte, kann den Hinweis lesen. Was man aus diesem einfachen Fall lernt, lässt sich mit kleinen Modifikationen auf die folgenden Aussagen anwenden, die bewiesen werden sollen :

Sei nun die Kette offen.
In den folgenden Fällen ist (n,m) ein kompatibles Paar : Im folgenden Fall ist (n,m) ein inkompatibles Paar : Man kann sich also bei weiteren Überlegungen auf  m < n/2  beschränken. Dafür gilt, dass (n,m) in den folgenden Fällen kompatibel ist : Mit diesen Resultaten findet man dann recht schnell inkompatible Paare (n,m) wie z.B. (n,m) = (12,8) (siehe oben) oder mit  m = 10 < n/2 . Es empfiehlt sich aber, ein kleines Programm zu schreiben, das die Permutationen der Kettenelemente und die  m - Abschnitte überprüft. (Auch für den Fall  m = 8 < n/2 , in dem die Kompatibilität gezeigt werden soll, lassen sich zwar mit vertretbarem Aufwand die möglichen Fälle von Hand darstellen, aber der Rechner ist natürlich schneller.) Es stellen sich noch die folgenden Fragen : Wenn man dieses inkompatible Paar gefunden hat, kann man das Ergebnis verallgemeinern, um die letzte Frage zu beantworten :
Noch ein paar Tipps



Lösung



Publiziert 2009-11-30          Stand 2009-08-10


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