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Atravesar una arista del grafo original equivale a recorrer una arista del grafo dual, por lo que el problema se reduce a encontrar un camino que pase por todas las aristas del grafo dual una sola vez. Esto no puede hacerse ya que eso implicaría que hay como máximo dos vértices del grafo dual a los que llegan un número par de aristas (Teorema de Euler). Sin embargo, el grafo dual tiene 4 vértices (C, D, E y F) a los que llegan un número par de aristas, por lo que concluimos que la curva buscada no puede existir.
Consideremos $A'$, $O'$ y $C'$ los pies de las perpendiculares a $r$ que pasan por $A$, $O$ y $C$. Como $AO=OC$, se deduce del teorema de Tales (las rectas $r$ y $AC$ son cortadas por tres paralelas $AA'$, $OO'$ y $CC'$) que $OO'=\frac{1}{2}(AA'+CC')=\frac{1}{2}(a+c)$. Por tanto, la circunferencia con centro $O$ y tangente a $r$ y $s$ tiene radio $\frac{1}{2}(a+c)$. Análogamente, la circunferencia con centro $O$ y tangente a $r'$ y $s'$ tiene radio $\frac{1}{2}(b+d)$. Como $a+c=b+d$, deducimos que ambas son la misma circunferencia y, por tanto, el cuadrilátero que se forma admite una circunferencia inscrita.
Nota. Un ejemplo de que el resultado no es cierto para $38$ números son los números del $999981$ al $1000018$.
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Para responder a la última pregunta, supongamos que tenemos sólo 6 fichas. Tiene que haber dos filas que contengan 4 fichas entre ambas (si no fuera así, habría máximo una fila con dos fichas y tres filas con una ficha, lo cual da un total de sólo 5 fichas). Por tanto, tomando estas dos filas y las columnas donde estén las 2 fichas restantes, hemos terminado.
Para probar el apartado (b), es fácil ver que el primer término de la sucesión evoluciona de la siguiente manera: \[a_1\mapsto a_1a_2\mapsto a_1a_2^2a_3\mapsto a_1a_2^3a_3^3a_4\mapsto a_1a_2^4a_3^6a_4^4a_5\mapsto\ldots\] de forma que los exponentes son números combinatorios. Después de $n-1$ iteraciones, obtenemos que el primer término se convierte en \[a_1a_2^{\binom{n-1}{1}}a_3^{\binom{n-1}{2}}\ldots a_{n-1}^{\binom{n-1}{n-1}}a_n.\] Análogamente, tras $n-1$ iteraciones, el segundo término se convierte en \[a_2a_3^{\binom{n-1}{1}}a_4^{\binom{n-1}{2}}\ldots a_n^{\binom{n-1}{n-1}}a_1\] ya que los índices van rotando cíclicamente. En consecuencia, tras $n$ iteraciones el primer término se convierte en \[a_1^2a_2^{\binom{n}{1}}a_3^{\binom{n}{2}}\ldots a_{n-1}^{\binom{n}{n-1}}a_n^2.\] El primer y último exponentes son pares. Veamos que $\binom{n}{k}$ es también par para $k$ entre $1$ y $n$. Ahora bien, podemos expresar \[\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}=\frac{n}{n-k}\frac{(n-1)!}{k!(n-k-1)!}=\frac{n}{n-k}\binom{n-1}{k-1}.\] Como $\binom{n-1}{k-1}$ es un número entero y el exponente de $2$ en la factorización de $n-k$ es menor que en la de $n$ (ya que $n$ es potencia de $2$), concluimos que $\binom{n}{k}$ es par y, en consecuencia, que $a_1$ se convierte en positivo tras $n$ iteraciones. Se razona de forma análoga para probar que el resto de números son positivos tras $n$ iteraciones.
El apartado (b) es consecuencia de la desigualdad de Ptolomeo aplicada a los cuatro puntos $A,C,B,P$, que nos dice que \[CP\cdot AB\leq AP\cdot BC+BP\cdot AC\ \Longleftrightarrow\ CP\leq AP+BP=2+3=5,\] ya que $AB=BC=CA$. Además, sabemos que si $ACBP$ es un cuadrilátero cíclico, entonces la igualdad se alcanza. Por tanto, el máximo anterior $CP=5$ se alcanza cuando $P$ está en el arco menor $AB$ de la circunferencia circunscrita del triángulo $ABC$. En este caso, el triángulo $ABP$ tiene lados $AP=2$ y $BP=3$ que forman un ángulo de $120^\circ$ por la propiedad del arco capaz, de forma que el teorema del coseno nos da necesariamente \[AB^2=2^2+3^2-2\cdot 2\cdot 3\cos(120^\circ)=19.\] Deducimos así que el máximo $CP=5$ se alcanza efectivamente para un triángulo de lado $\sqrt{19}$ cuando el punto $P$ está en el arco menor $AB$.
Caso $R_1$. En los escenarios (1) y (2), $B$ obtiene $x_1+y_2\leq y$ fichas, en el (3) obtiene $y_1+y_2=y$ y en el (4) $x_1+x_2=x\leq y$, luego siempre obtiene a lo sumo $y$ fichas y puede forzar que así sea dividiendo el montón de $y$ en $y_1=1$ e $y_2=y-1$. Esto lo sabe $A$, que intentará minimizar $y$, el montón más grande, y en consecuencia elegirá $x=\lfloor\frac{N}{2}\rfloor$ e $y=\lfloor\frac{N+1}{2}\rfloor$ para jugar de forma óptima, lo que nos dice que $B$ se quedará con $y=\lfloor\frac{N+1}{2}\rfloor$ y $A$ con las $\rfloor\frac{N}{2}\lfloor$ restantes (ver la nota).
Caso $R_2$. En los escenarios (1) y (2), $B$ obtiene $x_2+y_1\geq x$ fichas, en el (3) obtiene $x_1+x_2=x$ y en el (4) obtiene $y_1+y_2=y\geq x$, luego siempre obtiene al menos $x$ fichas. En este caso, $A$ puede forzar a que se tenga el escenario (1) tomando $x=2$ e $y=N-2$, dejando a $B$ necesariamente con $x_1=x_2=1$ y entonces la mejor opción para $B$ es tomar $y_1=\lfloor\frac{N-2}{2}\rfloor$ e $y_2=\lfloor\frac{N-1}{2}\rfloor$ (maximizando $y_1$), de forma que $B$ se lleva $x_2+y_1=1+\lfloor\frac{N-2}{2}\rfloor=\lfloor\frac{N}{2}\rfloor$ y $A$ las restantes. Esta es la mejor estrategia para $A$, ya que si no hiciera $x=2$, entonces $B$ podría tomar $x_1=1$, $x_2=x-1$, $y_1=\lfloor\frac{N-x}{2}\rfloor$ e $y_2=\lfloor\frac{N-x+1}{2}\rfloor$. Distingamos dos subcasos:
Caso $R_3$. La mejor estrategia a priori para $B$ es tomar $R_1$, luego tenemos que $A$ debe dividir necesariamente en partes $x=\lfloor\frac{N}{2}\rfloor$ e $y=\lfloor\frac{N+1}{2}\rfloor$, para minimizar las pérdidas y jugar de forma óptima. Sin embargo queda por ver que ante tal elección de $A$, $B$ no puede aprovechar la ocasión y elegir $R_2$ para mejorar sus ganancias. Sin embargo, como $x$ e $y$ se diferencian a lo sumo en una unidad, el montón mayor y el menor tienen que venir ambos de $x$ o ambos de $y$ (podría haber empates), luego eligiendo $R_1$ o $R_2$ se llevaría un máximo de $y=\lfloor\frac{N+1}{2}\rfloor$ fichas y hemos probado así que no puede aprovecharse del cambio de estrategia.
Nota. Hemos usado repetidamente que dividir un montón de $n$ fichas en dos partes lo más parecidas posibles es hacer los montones de $\lfloor \frac{n}{2}\rfloor$ y $\lfloor\frac{n+1}{2}\rfloor$ fichas. Esto evita distinguir si el número es par o impar, lo cual sería muy tedioso de escribir.
Nota. El resultado puede extenderse a cualquier número finito de sucesiones.
El apartado (b) es consecuencia de la desigualdad de Ptolomeo aplicada a los cuatro puntos $A,C,B,P$, que nos dice que \[CP\cdot AB\leq AP\cdot BC+BP\cdot AC\ \Longleftrightarrow\ CP\leq AP+BP=2+3=5,\] ya que $AB=BC=CA$. Además, sabemos que si $ACBP$ es un cuadrilátero cíclico, entonces la igualdad se alcanza. Por tanto, el máximo anterior $CP=5$ se alcanza cuando $P$ está en el arco menor $AB$ de la circunferencia circunscrita del triángulo $ABC$. En este caso, el triángulo $ABP$ tiene lados $AP=2$ y $BP=3$ que forman un ángulo de $120^\circ$ por la propiedad del arco capaz, de forma que el teorema del coseno nos da necesariamente \[AB^2=2^2+3^2-2\cdot 2\cdot 3\cos(120^\circ)=19.\] Deducimos así que el máximo $CP=5$ se alcanza efectivamente para un triángulo de lado $\sqrt{19}$ cuando el punto $P$ está en el arco menor $AB$.
Para probar el apartado (b), es fácil ver que el primer término de la sucesión evoluciona de la siguiente manera: \[a_1\mapsto a_1a_2\mapsto a_1a_2^2a_3\mapsto a_1a_2^3a_3^3a_4\mapsto a_1a_2^4a_3^6a_4^4a_5\mapsto\ldots\] de forma que los exponentes son números combinatorios. Después de $n-1$ iteraciones, obtenemos que el primer término se convierte en \[a_1a_2^{\binom{n-1}{1}}a_3^{\binom{n-1}{2}}\ldots a_{n-1}^{\binom{n-1}{n-1}}a_n.\] Análogamente, tras $n-1$ iteraciones, el segundo término se convierte en \[a_2a_3^{\binom{n-1}{1}}a_4^{\binom{n-1}{2}}\ldots a_n^{\binom{n-1}{n-1}}a_1\] ya que los índices van rotando cíclicamente. En consecuencia, tras $n$ iteraciones el primer término se convierte en \[a_1^2a_2^{\binom{n}{1}}a_3^{\binom{n}{2}}\ldots a_{n-1}^{\binom{n}{n-1}}a_n^2.\] El primer y último exponentes son pares. Veamos que $\binom{n}{k}$ es también par para $k$ entre $1$ y $n$. Ahora bien, podemos expresar \[\binom{n}{k}=\frac{n!}{k!(n-k)!}=\frac{n}{n-k}\frac{(n-1)!}{k!(n-k-1)!}=\frac{n}{n-k}\binom{n-1}{k-1}.\] Como $\binom{n-1}{k-1}$ es un número entero y el exponente de $2$ en la factorización de $n-k$ es menor que en la de $n$ (ya que $n$ es potencia de $2$), concluimos que $\binom{n}{k}$ es par y, en consecuencia, que $a_1$ se convierte en positivo tras $n$ iteraciones. Se razona de forma análoga para probar que el resto de números son positivos tras $n$ iteraciones.