We have \(n\) red counters, one empty square, and \(n\) blue counters in a row of length \(2n+1\). A legal move is either:
1) a slide into the adjacent empty square, or
2) a hop over exactly one counter into an empty square.
Let \(M(n)\) be the minimum number of moves needed to swap the two color blocks completely. We want those \(n\) for which \(M(n)\) is a triangular number, and we must sum the first 40 such \(n\).
1) The minimal move count is \(M(n)=n(n+2)\).
This is the key fact. It comes from two separate lower bounds that are both forced, and both can be achieved.
2) Why there must be exactly \(n^2\) hops.
Initially every red counter lies to the left of every blue counter. In the final arrangement every red counter lies to the right of every blue counter. So each red-blue pair must reverse its order exactly once.
There are
$$n^2$$
such pairs. A slide never changes the order of two counters, while a hop over one counter changes the order of exactly one pair. Therefore every solution needs at least
$$n^2$$
hops.
3) Why there must be exactly \(2n\) slides.
Consider total displacement. Each red counter moves from the left block to the right block, so each red moves \(n+1\) squares to the right. Each blue counter moves \(n+1\) squares to the left. Thus the total absolute displacement is
$$2n(n+1).$$
A slide contributes \(1\) unit of displacement and a hop contributes \(2\). If a solution uses \(s\) slides and \(h\) hops, then
$$s+2h=2n(n+1).$$
Since we already know \(h\ge n^2\), we get
$$s\le 2n(n+1)-2n^2=2n.$$
But we also need at least one slide every time the empty square changes side in the alternating optimal pattern, and the classical construction reaches the target with exactly \(2n\) slides. Hence the minimum is achieved at
$$h=n^2,\qquad s=2n,$$
so
$$M(n)=h+s=n^2+2n=n(n+2).$$
4) Triangular-number condition.
Now impose that \(M(n)\) is triangular. So for some integer \(m\),
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
This is the exact Diophantine equation solved by the program.
5) Convert to a Pell-type equation.
Introduce
$$x=2m+1,\qquad y=n+1.$$
Then
$$m=\frac{x-1}{2},\qquad n=y-1.$$
Substituting into
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2)$$
gives
$$\frac{x^2-1}{8}=y^2-1,$$
hence
$$x^2-8y^2=-7.$$
So the problem becomes: find positive integer solutions \((x,y)\) of
$$x^2-8y^2=-7,$$
then recover
$$n=y-1.$$
6) Pell recurrence.
If
$$x+y\sqrt8$$
solves \(x^2-8y^2=-7\), then multiplying by the fundamental unit
$$3+\sqrt8$$
preserves the norm. Therefore another solution is
$$(x+y\sqrt8)(3+\sqrt8)=x'+y'\sqrt8,$$
with
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
7) The two relevant positive branches.
The solutions needed for the problem come from the two smallest positive seeds
$$(x,y)=(5,2),\qquad (x,y)=(11,4).$$
These produce the two increasing \(n\)-streams:
From \((5,2)\):
$$n=1,10,63,372,\dots$$
From \((11,4)\):
$$n=3,22,133,780,\dots$$
Merging them gives the full increasing sequence
$$1,3,10,22,63,\dots$$
which matches the statement.
8) Worked checkpoint.
The first five terms are
$$1,\ 3,\ 10,\ 22,\ 63,$$
and their sum is
$$1+3+10+22+63=99.$$
This is exactly the checkpoint used in the C++ code.
1) Start two Pell states at \((5,2)\) and \((11,4)\).
2) Convert each state to \(n=y-1\).
3) Repeatedly take the smaller of the two current \(n\)-values.
4) Advance the branch you used via
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
5) Stop after 40 terms and sum them.
To obtain the first \(K\) valid values, we perform only \(K\) recurrence steps and constant-time merging work. So the complexity is
$$O(K)$$
time and
$$O(1)$$
extra memory.
The code verifies
$$1+3+10+22+63=99.$$
For the first 40 terms, the final answer is
$$2470433131948040.$$
Gesucht sind diejenigen \(n\), fuer die die minimale Zugzahl beim Tauschen der Zaehler eine Dreieckszahl ist. Die ersten 40 solchen \(n\)-Werte sollen aufsummiert werden.
1) Die Minimalzahl der Zuege ist \(M(n)=n(n+2)\).
Jedes rote-blaue Paar muss seine Reihenfolge genau einmal tauschen. Es gibt \(n^2\) solche Paare, und nur ein Sprung veraendert die Reihenfolge eines Paares. Also braucht jede Loesung mindestens \(n^2\) Spruenge.
Der gesamte Weg aller Steine zusammen betraegt
$$2n(n+1).$$
Mit \(s\) Slides und \(h\) Hops gilt daher
$$s+2h=2n(n+1).$$
Im Optimum hat man \(h=n^2\), also
$$s=2n$$
und damit
$$M(n)=n^2+2n=n(n+2).$$
2) Dreieckszahl-Bedingung.
Gesucht sind also ganze Zahlen mit
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
3) Pell-Transformation.
Mit
$$x=2m+1,\qquad y=n+1$$
wird daraus
$$x^2-8y^2=-7.$$
Die Rueckabbildung ist
$$n=y-1.$$
4) Rekurrenz der Loesungen.
Multiplikation mit der Einheit \(3+\sqrt8\) liefert neue Loesungen:
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
Die zwei relevanten Startzweige sind
$$(5,2)\quad\text{und}\quad(11,4).$$
5) Die beiden \(n\)-Folgen.
Sie erzeugen
$$1,10,63,372,\dots$$
bzw.
$$3,22,133,780,\dots$$
und nach dem Zusammenfuehren
$$1,3,10,22,63,\dots$$
wie im Problemtext.
1) Zwei Pell-Zweige initialisieren.
2) Immer den kleineren aktuellen \(n=y-1\) auswaehlen.
3) Den entsprechenden Zweig mit
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y$$
fortsetzen.
4) Nach 40 Termen stoppen und aufsummieren.
Fuer \(K\) benoetigte Werte: \(O(K)\) Zeit und \(O(1)\) Zusatzspeicher.
Die ersten fuenf Werte summieren sich zu
$$99.$$
Die Summe der ersten 40 Werte ist
$$2470433131948040.$$
Yan yana dizili sayaçların yer değiştirme probleminde, minimum hamle sayısının üçgensel sayı olduğu \(n\) değerleri aranıyor. İlk 40 böyle \(n\) değerinin toplamı isteniyor.
1) Minimum hamle sayısı neden \(M(n)=n(n+2)\)?
Her kırmızı sayaç, her mavi sayaçla yer değiştirmek zorundadır. Toplam
$$n^2$$
adet kırmızı-mavi çifti vardır. Bir slide, iki sayacın sırasını değiştirmez; bir hop ise tam bir çifti yer değiştirir. Bu yüzden en az
$$n^2$$
hop gerekir.
Öte yandan toplam yer değiştirme miktarı
$$2n(n+1)$$
olur. Eğer \(s\) slide ve \(h\) hop kullanılıyorsa
$$s+2h=2n(n+1).$$
\(h=n^2\) olduğunda
$$s=2n$$
çıkar ve klasik optimal düzen tam bunu başarır. Dolayısıyla
$$M(n)=h+s=n^2+2n=n(n+2).$$
2) Üçgensel sayı koşulu.
Bu nedenle aranan \(n\) değerleri için bazı \(m\) tamsayısı ile
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2)$$
olmalıdır.
3) Pell-tipine dönüşüm.
Şu değişkenleri tanımlayalım:
$$x=2m+1,\qquad y=n+1.$$
Bu durumda denklem
$$x^2-8y^2=-7$$
şekline gelir. Geri dönüş ise
$$n=y-1$$
olur.
4) Pell yinelemesi.
Eğer \(x+y\sqrt8\) bir çözüme karşılık geliyorsa, bunu
$$3+\sqrt8$$
ile çarpmak yine çözüm üretir. Yani
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
5) İki başlangıç kolu.
Probleme giren iki pozitif başlangıç çözümü
$$(x,y)=(5,2),\qquad (x,y)=(11,4)$$
olur. Bunlardan gelen \(n\) dizileri:
Birinci kol:
$$1,10,63,372,\dots$$
İkinci kol:
$$3,22,133,780,\dots$$
Birleştirince
$$1,3,10,22,63,\dots$$
elde edilir; bu da problem metnindeki ilk beş terimle aynıdır.
6) Checkpoint.
İlk beş terimin toplamı
$$1+3+10+22+63=99$$
çıkar. Kod bu değeri kontrol eder.
1) İki Pell durumunu \((5,2)\) ve \((11,4)\) ile başlat.
2) Her adımda daha küçük olan \(n=y-1\) değerini seç.
3) O kolu
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y$$
ile ilerlet.
4) 40 terim toplayınca dur.
İlk \(K\) terimi üretmek için gereken iş
$$O(K)$$
zamandır ve ek bellek
$$O(1)$$
kadardır.
Kod önce
$$99$$
checkpoint’ini doğrular. İlk 40 terimin toplamı
$$2470433131948040$$
olarak bulunur.
Se buscan los valores de \(n\) para los que el numero minimo de movimientos del problema de intercambio de fichas es triangular. Debemos sumar los primeros 40.
1) El minimo es \(M(n)=n(n+2)\).
Cada pareja rojo-azul debe invertir su orden exactamente una vez, asi que hacen falta al menos
$$n^2$$
saltos. El desplazamiento total es
$$2n(n+1).$$
Si hay \(s\) deslizamientos y \(h\) saltos, entonces
$$s+2h=2n(n+1).$$
Con \(h=n^2\) se obtiene
$$s=2n,$$
y por tanto
$$M(n)=n^2+2n=n(n+2).$$
2) Condicion triangular.
Debemos resolver
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
3) Reduccion a Pell.
Con
$$x=2m+1,\qquad y=n+1,$$
la ecuacion pasa a ser
$$x^2-8y^2=-7.$$
Luego
$$n=y-1.$$
4) Recurrencia.
Multiplicar por \(3+\sqrt8\) genera nuevas soluciones, es decir
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
5) Dos ramas iniciales.
Las ramas relevantes parten de
$$(5,2)\quad\text{y}\quad(11,4).$$
Producen
$$1,10,63,\dots$$
y
$$3,22,133,\dots$$
que fusionadas dan
$$1,3,10,22,63,\dots$$
como en el enunciado.
1) Mantener dos estados de Pell.
2) Tomar siempre el menor \(n=y-1\).
3) Avanzar esa rama con
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
4) Repetir hasta 40 terminos.
Para \(K\) terminos, el costo es \(O(K)\) en tiempo y \(O(1)\) en memoria auxiliar.
Los primeros cinco terminos suman
$$99.$$
La suma de los primeros 40 terminos es
$$2470433131948040.$$
要求找出那些使最少交换步数 \(M(n)\) 成为三角数的 \(n\),并把前 40 个这样的 \(n\) 相加。
1)最少步数公式是 \(M(n)=n(n+2)\)。
每一对红蓝筹码最终都必须交换相对顺序,一共有
$$n^2$$
对。滑动不会改变两枚筹码的顺序,只有跳跃会改变,而且一次跳跃只改变一对,所以至少要有 \(n^2\) 次跳跃。
另一方面,总位移是
$$2n(n+1).$$
若有 \(s\) 次滑动、\(h\) 次跳跃,则
$$s+2h=2n(n+1).$$
取最小可能的 \(h=n^2\) 时,得到
$$s=2n,$$
所以
$$M(n)=h+s=n^2+2n=n(n+2).$$
2)要求它是三角数。
于是我们要解
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
3)变成 Pell 型方程。
设
$$x=2m+1,\qquad y=n+1,$$
则化简后得到
$$x^2-8y^2=-7.$$
最后再由
$$n=y-1$$
恢复原变量。
4)Pell 递推。
若 \((x,y)\) 是解,则乘以 \(3+\sqrt8\) 可得到新解,因此
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
5)两条起始分支。
相关的两条正整数分支从
$$(5,2)\quad\text{和}\quad(11,4)$$
开始。对应的 \(n\) 序列分别是
$$1,10,63,\dots$$
和
$$3,22,133,\dots$$
归并后得到
$$1,3,10,22,63,\dots$$
与题目样例一致。
1) 初始化两条 Pell 分支。
2) 每次取较小的 \(n=y-1\)。
3) 用
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y$$
推进对应分支。
4) 收集前 40 项并求和。
生成前 \(K\) 项只需 \(O(K)\) 时间和 \(O(1)\) 额外空间。
前五项之和为
$$99.$$
前 40 项之和为
$$2470433131948040.$$
Нужно найти такие \(n\), для которых минимальное число ходов \(M(n)\) является треугольным числом, и затем сложить первые 40 таких значений.
1) Формула минимума: \(M(n)=n(n+2)\).
Каждая красно-синяя пара должна поменять относительный порядок. Таких пар
$$n^2.$$
Скольжение порядок не меняет, а один прыжок меняет порядок ровно одной пары. Значит, нужно как минимум \(n^2\) прыжков.
Полное перемещение всех фишек равно
$$2n(n+1).$$
Если \(s\) - число скольжений, а \(h\) - число прыжков, то
$$s+2h=2n(n+1).$$
При \(h=n^2\) получаем
$$s=2n,$$
и потому
$$M(n)=n^2+2n=n(n+2).$$
2) Условие треугольного числа.
Следовательно, нужно решить
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
3) Переход к уравнению Пелля.
С подстановкой
$$x=2m+1,\qquad y=n+1$$
получаем
$$x^2-8y^2=-7.$$
Обратно
$$n=y-1.$$
4) Рекуррентное порождение.
Умножение на \(3+\sqrt8\) сохраняет норму, поэтому
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y$$
задает следующую точку решения.
5) Две стартовые ветви.
Нужные положительные ветви стартуют из
$$(5,2)\quad\text{и}\quad(11,4).$$
Они дают последовательности
$$1,10,63,\dots$$
и
$$3,22,133,\dots,$$
которые после слияния дают
$$1,3,10,22,63,\dots$$
как в условии.
1) Инициализировать две Pell-ветви.
2) Всегда брать меньший текущий \(n=y-1\).
3) Продвигать соответствующую ветвь по формуле
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
4) Собрать первые 40 значений.
Для первых \(K\) значений требуется \(O(K)\) времени и \(O(1)\) дополнительной памяти.
Первые пять значений дают сумму
$$99.$$
Сумма первых 40 членов равна
$$2470433131948040.$$
نبحث عن قيم \(n\) التي يكون فيها أقل عدد من الحركات \(M(n)\) عددًا مثلثيًا، ثم نجمع أول 40 قيمة من هذه القيم.
1) الصيغة الدنيا هي \(M(n)=n(n+2)\).
كل زوج أحمر-أزرق يجب أن يعكس ترتيبه مرة واحدة بالضبط، وعدد هذه الأزواج هو
$$n^2.$$
الحركة المنزلقة لا تغيّر ترتيب زوج من العدادات، بينما القفز يغيّر ترتيب زوج واحد فقط. لذا لا بد من \(n^2\) قفزات على الأقل.
أما الإزاحة الكلية لجميع العدادات فهي
$$2n(n+1).$$
إذا كان عدد الانزلاقات \(s\) وعدد القفزات \(h\)، فلدينا
$$s+2h=2n(n+1).$$
وعند أخذ \(h=n^2\) نحصل على
$$s=2n,$$
ومن ثم
$$M(n)=n^2+2n=n(n+2).$$
2) شرط العدد المثلثي.
إذن نريد حلول
$$\frac{m(m+1)}{2}=n(n+2).$$
3) التحويل إلى معادلة Pell-type.
إذا وضعنا
$$x=2m+1,\qquad y=n+1,$$
فإن المعادلة تصبح
$$x^2-8y^2=-7.$$
ثم نسترجع
$$n=y-1.$$
4) علاقة التوليد.
الضرب في \(3+\sqrt8\) يحافظ على النورم، ولذلك
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y$$
يعطي حلاً جديدًا.
5) الفرعان الابتدائيان.
الفرعان الموجبان اللازمان للمسألة يبدآن من
$$(5,2)\quad\text{و}\quad(11,4).$$
وهما ينتجان
$$1,10,63,\dots$$
و
$$3,22,133,\dots,$$
وبدمجهما نحصل على
$$1,3,10,22,63,\dots$$
كما في نص المسألة.
1) نبدأ بفرعين لحلول Pell.
2) نأخذ في كل مرة الأصغر بين القيمتين الحاليتين \(n=y-1\).
3) نحدّث ذلك الفرع بالعلاقة
$$x'=3x+8y,\qquad y'=x+3y.$$
4) نكرر حتى نحصل على أول 40 حدًا.
لحساب أول \(K\) قيم، التكلفة هي \(O(K)\) زمنًا و\(O(1)\) ذاكرة إضافية.
مجموع أول خمسة حدود هو
$$99.$$
ومجموع أول 40 حدًا يساوي
$$2470433131948040.$$