在电脑屏幕上给出一个正 $2011$ 边形,它的顶点分别被涂成黑、白两色;某程序执行这样的操作:每次可选中多边形连续的 $a$ 个顶点(其中 $a$ 是小于 $2011$ 的一个固定的正整数),一按鼠标键,将会使这 $a$ 个顶点“黑白颠倒”,即黑点变白,而白点变黑.
【难度】
【出处】
2011年全国高中数学联赛江西省预赛
【标注】
  1. 证明:如果 $a$ 为奇数,则可以经过有限次这样的操作,使得所有顶点都变成白色,也可以经过有限次这样的操作,使得所有顶点都变成黑色;
    标注
    答案
    解析
    由于 $2011$ 为质数,$1\leqslant a<2011$,所以$$(a,2011)=1,$$据裴蜀定理,存在正整数 $m,n$,使$$am-2011n=1,$$于是当 $a$ 为奇数时,$m,n$ 一奇一偶.
    如果 $m$ 为偶数,$n$ 为奇数,则将上式改写成:$$a\cdot(m+2011)-2011\cdot (n+a)=1.$$令$$m'=m+2011,n'=n+a,$$上式成为$$am'-2011n'=1,$$其中 $m'$ 为奇数,$n'$ 为偶数.
    也就是说,总存在奇数 $m$ 和偶数 $n$,使$$am=2011n+1$$成立.
    进行这样的操作:
    选取一个点 $A$,自 $A$ 开始,按顺时针方向操作 $a$ 个顶点,再顺时针方向操作接下来的 $a$ 个顶点,$\cdots\cdots$
    当这样的操作进行 $m$ 次后,据 ① 知,点 $A$ 的颜色被改变了奇数次,即 $n+1$ 次,从而改变了颜色,而其余所有顶点的颜色都改变了偶数次,即 $n$ 次,其颜色不变.称这样的 $m$ 次操作为“一轮操作”.
    由于每轮操作恰好只改变一个点的颜色,因此可以经过有限多轮这样的操作,使所有黑点都变成白点,从而多边形所有顶点都成为白色.
    同理,也可以经过有限多轮操作,使所有白点都变成黑点,从而多边形所有顶点都成为黑色.
  2. 当 $a$ 为偶数时,是否也能经过有限次这样的操作,使得所有顶点都变成一色?证明你的结论.
    标注
    答案
    可以
    解析
    当 $a$ 为偶数时,也可以经过有限多次这样的操作,使得多边形所有顶点都变成一色.具体说来,我们将有如下结论:
    如果给定的正多边形开初有奇数个黑点,偶数个白点,则经过有限次操作,可以将多边形所有顶点变成全黑,而不能变成全白;反之,如果给定的正多边形开初有奇数个白点,偶数个黑点,则经过有限次操作,可以将多边形所有顶点变成全白,而不能变成全黑.
    为证明此结论,采用赋值法:
    将白点改记为“$+1$”,而黑点记为“$-1$”,改变一次颜色,相当于将其赋值乘以 $-1$,所以改变 $a$ 个点的颜色,即相当于乘了 $a$ 个(偶数个)$-1$.
    由于 $(-1)^a=1$,因此当多边形所有顶点赋值之积为 $-1$,即总共有奇数个黑点,偶数个白点时,每次操作后,其赋值之积仍为 $-1$,因此无论操作多少次,都不能将全部顶点变白.
    但此时可以变成全黑,这是由于,对于偶数 $a$,$$am=2011n+1$$中的 $n$ 为奇数.
    设 $A,B$ 是多边形的两个相邻顶点,自点 $A$ 开始,按顺时针方向操作 $a$ 个顶点,再顺时针方向操作接下来的 $a$ 个顶点,$\cdots\cdots$
    当这样的操作进行 $m$ 次后,点 $A$ 的颜色被改变了偶数次($n+1$ 次),从而颜色不变;其余所有 $2010$ 个顶点都改变了奇数次($n$ 次)状态,即都改变了颜色.
    自点 $B$ 开始,按同样的方法操作 $m$ 次后,点 $B$ 的颜色不变,其余所有 $2010$ 个顶点都改变了颜色.
    因此,经过上述 $2m$ 次操作后,多边形恰有 $A,B$ 两个相邻顶点都改变了颜色,其余所有 $2009$ 个点的颜色不变.
    现将这样的 $2m$ 次操作合并,称为“一轮操作”;每一轮操作,可以使黑白相邻的两点颜色互换.因此经过有限轮操作,总可使同色的点成为多边形的连续顶点.
    于是当多边形开初总共有偶数个白点时,每一轮操作又可将相邻两个白点变成黑点,使得有限轮操作后,多边形所有顶点都成为黑色.
    同理得,如果给定的正多边形开初总共有奇数个白点,偶数个黑点,经过有限次操作,可以使多边形顶点变成全白,而不能变成全黑(只需将黑点赋值为“$+1$”,白点赋值为“$-1$”,证法便完全相同)
题目 问题1 答案1 解析1 备注1 问题2 答案2 解析2 备注2
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