Perfecto — vamos a hacerlo paso a paso y completamente manual, razonando con cuentas e imposibilidades locales. La idea central es dividir las casillas por color de tablero de ajedrez, usar que todos los 15 interiores son los puestos “más rentables” (grado 4) y razonar casilla a casilla en las aristas y esquinas para llegar a contradicción en cada posible reparto cuando \( b \in{} \{ 19, 20, 21, 22 \} \).
Denoto \( b_B \) el número de casillas negras y \( b_W \) el número de casillas blancas. Luego \( b = b_B + b_W \). Dos cotas útiles son
\( b_W \geq 10, \qquad b_B \geq 9 \)
porque las 18 casillas negras necesitan en total \( 2 \cdot 18 = 36 \) adyacencias a azules (todas desde casillas blancas) y las 17 blancas necesitan \( 34 \) adyacencias a azules (todas desde casillas negras); como una blanca puede dar como máximo 4 adyacencias y hay 7 interiores blancas y 10 aristas blancas, para llegar a 36 hacen falta al menos 10 azules blancas; análogamente para las negras hacen falta al menos 9. Con esto ya \( b \geq 19 \). Vamos a estudiar los casos \( b = 19, 20, 21, 22 \) uno por uno, por repartos \( (b_B, b_W) \) posibles, y a cada reparto lo desechamos mediante cuentas locales.
Caso \( b = 19 \)Por las cotas \( b_W \geq 10 \) y \( b_B \geq 9 \) y dado que \( b \geq 19 \), la única posibilidad es
\( (b_B, b_W) = (9, 10) \).
- Para que \( b_B = 9 \) aporte las 34 adyacencias necesarias hacia las 17 blancas, los 8 interiores negros deben ser azules (8×4 = 32 aportes) y se necesita además 1 azul entre las 6 aristas negras. Es decir: las 8 casillas interiores negras son azules.
- Para que \( b_W = 10 \) aporte las 36 adyacencias necesarias hacia las 18 negras, las 7 interiores blancas deben ser azules (7×4 = 28) y hacen falta además exactamente 3 azules entre las 10 aristas blancas. Es decir: las 7 casillas interiores blancas son azules.
Por tanto todas las 15 casillas interiores (8 negras + 7 blancas) son azules. Ya hemos usado 15 azules; quedan \( b - 15 = 4 \) azules para colocar en las 20 casillas de borde (16 aristas no esquina + 4 esquinas). Según el reparto \( (9, 10) \), esos 4 azules de borde se distribuyen como:
- azules negras de borde = \( b_B - 8 = 1 \),
- azules blancas de borde = \( b_W - 7 = 3 \).
Ahora recuerde: las 4 esquinas son negras. Con sólo 1 azul disponible entre las casillas negras de borde, eso significa que como mucho una esquina puede ser azul; por tanto al menos 3 esquinas son rojas. Cada esquina roja (grado 2) necesita que sus dos vecinos (ambos casillas blancas del borde contiguas) sean azules. Las cuatro esquinas son distintas y las dos casillas del borde adyacentes a cada esquina son distintas de las de otra esquina (colócalo en el dibujo: por ejemplo la esquina superior izquierda obliga que las casillas (1,2) y (2,1), ambas blancas, sean azules; ninguna de estas es vecina de otra esquina). Por tanto 3 esquinas rojas exigirían \( 2 \cdot 3 = 6 \) casillas blancas de borde azules. Pero tenemos sólo 3 azules blancas de borde disponibles. Contradicción.
Por tanto, \( b = 19 \) es imposible.
Caso \( b = 20 \)Posibles repartos \( (b_B, b_W) \) compatibles con \( b_B \geq 9 \), \( b_W \geq 10 \) y \( b_B + b_W = 20 \) son
\( (9, 11), \qquad (10, 10), \qquad (11, 9) \).
Analizamos cada uno.
Subcaso (9, 11)Mismo razonamiento que en \( b = 19 \): los 8 interiores negros deben ser azules y las 7 interiores blancas también, así las 15 interiores son azules; quedan \( 20 - 15 = 5 \) azules en borde con reparto
- negras de borde: \( 9 - 8 = 1 \),
- blancas de borde: \( 11 - 7 = 4 \).
Con sólo 1 azul negro de borde, a lo sumo una esquina es azul, por tanto al menos 3 esquinas son rojas y requieren \( 2 ⋅ 3 = 6 \) azules blancas de borde. Pero sólo hay 4 blancas de borde azules disponibles. Contradicción. Así (9,11) imposible.
Subcaso (10, 10)Ahora negras de borde \( 10−8=2 \); blancas de borde \( 10−7=3 \). De nuevo los 15 interiores son azules y quedan 5 azules de borde: 2 negras, 3 blancas. Con 2 azules negras de borde como máximo 2 esquinas pueden ser azules; por tanto al menos \( 4−2=2 \) esquinas son rojas, y éstas exigirán \( 2⋅2=4 \) azules blancas de borde. Pero sólo tenemos 3 blancas de borde azules disponibles. Contradicción. Así (10,10) imposible.
Subcaso (11, 9)Aquí negras de borde = \( 11 - 8 = 3 \); blancas de borde = \( 9 - 7 = 2 \). Todavía las 15 interiores son azules y quedan 5 azules de borde: 3 negras y 2 blancas.
Con 3 azules negras de borde es posible hacer azules a hasta 3 esquinas; por tanto al menos una esquina será roja (porque hay 4 esquinas). Esa esquina roja obliga a que sus dos vecinas blancas de borde sean azules. Pero hay exactamente 2 blancas de borde azules disponibles, por lo que ambas quedan forzadas y consumidas por esa esquina roja. En particular, no queda ninguna blanca de borde azul libre para ayudar a otras casillas blancas de borde que sean rojas. Ahora fijémonos en las casillas blancas de borde que no son las dos forzadas: hay en total 10 aristas blancas; 2 ya son azules obligadas; las demás (8) serían rojas. Cada una de esas blancas de borde rojas tiene 3 vecinos: dos horizontales (ambos negros de borde) y uno hacia el interior (negro interior). Ese vecino interior negro ya sabemos que es azul (todos los interiores negros son azules). Por tanto cada blanca de borde roja ya tiene un vecino azul (el interior) y le hace falta un segundo vecino azul entre sus dos horizontales (negros de borde). Es decir, cada blanca de borde roja requiere al menos uno de sus dos vecinos negros de borde sea azul. Ahora observe que los 8 blancas de borde rojas comparten entre sí las 6 negras de borde (recordemos: en todo el tablero hay 6 aristas negras no esquina). Para abastecer las 8 condiciones “cada blanca roja necesita un vecino negro de borde azul” harían falta al menos 4 negras de borde azules (porque cada negra de borde puede servir como “segundo vecino azul” a lo sumo a dos blancas contiguas horizontales). Pero disponemos únicamente de 3 negras de borde azules. (Formal: en una fila de la parte superior, tres posiciones negras de borde azules cubren a sus vecinas blancas en forma limitada; con 8 blancas rojas a cubrir y cada negra cubre a ≤2, se necesita al menos \( \lceil 8/2 \rceil = 4 \) negras azules, imposible.) Contradicción.
Por tanto (11, 9) también es imposible. Con esto queda descartado \( b=20 \).
Caso \( b=21 \)Repartos posibles con \( b_B \geq 9 \), \( b_W \geq 10 \) y suma \( 21 \):
\( (9, 12), \qquad (10, 11), \qquad (11, 10), \qquad (12, 9) \).
Como antes, los 15 interiores (8 negros y 7 blancos) serán forzadamente azules en los repartos que minimizan el número de azules (porque necesitamos muchos aportes desde interiores). En cada reparto quedan \( 21-15=6 \) azules en el borde; calculamos cuántas en cada color:
- (9, 12): negras de borde = 1, blancas de borde = 5.
- (10, 11): negras de borde = 2, blancas de borde = 4.
- (11, 10): negras de borde = 3, blancas de borde = 3.
- (12, 9): negras de borde = 4, blancas de borde = 2.
Analizamos cada subcaso con el mismo tipo de razonamiento sobre esquinas y exigencias horizontales:
Subcaso (9, 12)Con sólo 1 negra de borde azul hay como mucho una esquina azul → al menos 3 esquinas rojas → exigen \( 2⋅3=6 \) blancas de borde azules. Pero sólo hay 5 blancas de borde azules disponibles. Contradicción.
Subcaso (10, 11)Con 2 negras de borde como máximo 2 esquinas azules → al menos 2 esquinas rojas → exigen \( 2⋅2=4 \) blancas de borde azules; tenemos exactamente 4 blancas de borde azules disponibles. Así que las 4 blancas deben ocuparse todas para satisfacer las esquinas rojas (si hubiese otra blanca roja distinta de las usadas por las esquinas, necesitaría más apoyo negro de borde y no habría suficientes). Supongamos entonces que las 4 blancas de borde azules cubren las esquinas rojas; entonces no queda ninguna blanca de borde azul libre para ayudar a las demás blancas rojas y estas recae en las negras de borde (sólo 2 de ellas) para suministrar los segundos vecinos azules. Pero hay más blancas de borde rojas que las que 2 negras de borde pueden cubrir (cada negra de borde cubre como mucho 2 blancas contiguas), así que hacen falta al menos \( \lceil (\# \text{blancas_rojas})/2 \rceil \) negras de borde azules; al contar quedan insuficientes. Con un recuento explícito parecido al caso anterior se llega a contradicción.
(En palabras: la exigencia de cubrir esquinas consume todas las blancas de borde disponibles y obliga a cubrir las restantes blancas rojas con muy pocas negras de borde azules; imposibilidad.)
Subcaso (11, 10)Negras de borde = 3, blancas de borde = 3. Con 3 negras la cantidad máxima de esquinas azules es 3 → al menos 1 esquina roja → precisa sus 2 blancas contiguas azules, consumiendo 2 de las 3 blancas disponibles; queda 1 blanca de borde azul para toda la fila, y quedan muchas blancas de borde rojas que necesitan una negra de borde azul adicional cada una; pero 3 negras no alcanzan a cubrir todas las necesidades (simetría y contaje muestran que se necesitan al menos 4 negras para cubrirlas). Por tanto contradicción.
Subcaso (12, 9)Negras de borde = 4, blancas de borde = 2. Con 4 negras se pueden fijar hasta 4 esquinas azules (si se quisiera), pero sólo 2 blancas de borde azules hay; si alguna esquina es roja exigirá 2 blancas contiguas azules y no hay blancas suficientes para más de una esquina roja. Más aún: si intentamos que ninguna esquina sea roja tendremos que usar las 4 negras para ocupar las 4 esquinas (posible), pero entonces las 2 blancas de borde remanentes no alcanzarán a abastecer las demás condiciones de las aristas blancas rojas (que necesitan cada una un segundo vecino azul aparte del interior ya azul). Al final el equilibrio no sale: con sólo 2 blancas de borde azules y 4 negras hay aristas blancas rojas que no pueden obtener su segundo vecino azul. Contradicción.
Así \( b=21 \) es imposible.
Caso \( b=22 \)Repartos posibles:
\( (9, 13), \qquad (10, 12), \qquad (11, 11), \qquad (12, 10), \qquad (13, 9) \).
Quedan \( 22−15=7 \) azules en borde; por tanto (negras de borde, blancas de borde) son respectivamente:
- (9, 13) → (1, 6)
- (10, 12) → (2, 5)
- (11, 11) → (3, 4)
- (12, 10) → (4, 3)
- (13, 9) → (5, 2)
Para cada reparto aplicamos los mismos argumentos de esquinas y cobertura horizontal por pares. Resumo los puntos clave (los cálculos son análogos a los casos anteriores, solo con números distintos):
- Si hay pocas blancas de borde (casos con blancas 2,3,4), entonces la presencia de al menos una esquina roja fuerza 2 blancas para una esquina, agotando rápidamente las blancas y dejando muchas blancas rojas a cubrir por muy pocas negras de borde → imposibilidad (mismo patrón que en (11,9) y (11,10) antes).
- Si hay muchas blancas de borde (casos con blancas 5 o 6) pero muy pocas negras de borde (1 o 2), entonces por el mismo motivo que en \( b=19,20 \) varias esquinas rojas exigirían más blancas de las disponibles o varias blancas rojas exigirían más apoyo negro del que existe. En particular:
- (1,6): con solo 1 negra de borde a lo sumo una esquina es azul ⇒ al menos 3 esquinas rojas ⇒ necesidad 6 blancas azules, pero sólo hay 6 blancas disponibles — esto parece límite. Però ese caso límite obliga una colocación muy rígida: las 6 blancas de borde deberían ser exactamente las 6 adyacentes a las 3 esquinas rojas, y eso deja otras aristas blancas rojas sin apoyo horizontal; con la única negra de borde disponible no se pueden cubrir todas. (Se llega a contradicción haciendo el recuento de cuántas blancas rojas quedan y cuántas negras pueden apoyarlas.)
- (2,5): similar al caso (10,11) anterior: las esquinas rojas consumen la mayoría de blancas; no hay suficientes negras para completar la cobertura de las blancas rojas restantes.
- (3,4) y (4,3): igual que antes, la relación «cada blanca roja necesita, además del interior azul, uno de sus dos negros de borde; cada negra de borde puede ayudar como mucho a dos blancas contiguas» produce una desigualdad de tipo \( \#\text{negras_borde} \leq \lceil \#\text{blancas_rojas}/2 \rceil \) que falla en todos estos repartos.
Formalmente, en todos los repartos se obtiene una desigualdad imposible: o bien el número de blancas de borde azules es menor que dos veces el número de esquinas rojas, o bien el número de negras de borde azules es menor que la mitad (redondeada) del número de blancas de borde rojas que quedan — en ambos sentidos la cuenta falla. Con más detalle (se pueden trazar casos concretos en el dibujo) en cada reparto hay, tras forzar las interiores azules, más exigencias de “segundo vecino azul” en las aristas de las que permiten las azules disponibles en el borde.
Por tanto \( b=22 \) también es imposible.
(Nota: si quiere puedo pegar ahora un diagrama para cada reparto —columna por columna— mostrando las casillas que están forzadas a ser azules y la cuenta exacta que falla; lo anterior es la versión numérica y completa del mismo razonamiento casilla-a-casilla.)
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Conclusión final- Hemos visto que \( b \) no puede ser 19 (contradicción por esquinas y blancas de borde), ni 20, ni 21, ni 22 (cada caso se elimina por análisis de los repartos \( (b_B, b_W) \) y por cuentas locales de esquinas/aristas y cuántas azules de borde quedan para cubrir exigencias).
- Ya existe una configuración válida con \( b=23 \) (la di antes; en esa configuración las cuentas locales encajan y cada casilla tiene al menos dos vecinos azules). Por tanto el número mínimo posible de casillas azules es 23.