Индукция по n. База. При n = 5 требуемый граф представлен на рис. слева.
Шаг индукции. Рассмотрим n + 1 точку. Пусть n из них уже соединены – получился граф с n вершинами. Можно считать, что каждые две из этих n точек соединены стрелкой: иначе проведём все недостающие стрелки (направив их в любую сторону), условие тем более будет выполняться. Обозначим (n+1)-ю точку через C и рассмотрим два случая.
1)
nчётно. Разобьём
nточек на пары. Пусть {
Ak, Bk} – одна из пар (1 ≤
k ≤ n/
2) и из
Akидёт стрелка в
Bk. Тогда проведём из
Cстрелку в
Akи из
Bkпроведём стрелку в
C(рис. в центре). Так проделаем для каждой пары. Новый граф с
n+ 1 вершиной построен. Пусть
X, Y– две любые различные его вершины.
Если и
Xи
Yне совпадают с
C, то из
Xв
Yможно пройти (не более чем за два «хода») по индукционному предположению.
Пусть
Xили
Yсовпадает с
C. Тогда другая из этих точек (
Yили
X) входит в какую-то пару из тех, на которые мы разбили первые
nточек. Таким образом,
Xи
Y– это какие-то две из трёх точек, изображенных на центральном рисунке. Глядя на этот рисунок, легко перебрать все возможные варианты и убедиться, что требование выполняется.
2)
nнечётно. Выберем любую вершину
A1. Она
соединена стрелками со всеми остальными вершинами:
A2, ...,
An. Из
A1выходят не менее чем две стрелки или в
A1входят не менее чем две стрелки (так как
n> 4).
Пусть из
A1выходят не менее чем две стрелки (второй случай аналогичен) – в вершины
A2,
A3. Остальные вершины разобьем на пары. Теперь соединим стрелками новую вершину с тройкой
A1,
A2,
A3– как показано на рис. справа, а со всеми парами – как показано на рис. в центре. Как и в случае а), легко доказать, что полученный граф удовлетворяет условию задачи.