Soluciones del 1990 AIME

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Todos los problemas se usan con el permiso legal oficial de la Mathematical Association of America (MAA).

1.

La sucesión creciente 2,2, 3,3, 5,5, 6,6, 7,7, 10,10, 11,11, \ldots está formada por todos los enteros positivos que no son ni el cuadrado ni el cubo de un entero positivo. Halla el término 500500 de esta sucesión.

The increasing sequence 2,2, 3,3, 5,5, 6,6, 7,7, 10,10, 11,11, \ldots consists of all positive integers that are neither the square nor the cube of a positive integer. Find the 500500th term of this sequence.

Conceptos:conteo de enteros en un rangoinclusión-exclusióncuadrado perfecto
Nivel de dificultad: 1800
Pista pequeña:

Cuenta los cuadrados y los cubos hasta un extremo candidato mediante inclusión-exclusión

Count squares and cubes up to a candidate endpoint by inclusion-exclusion

Pista grande:

Los números que son a la vez cuadrados y cubos son sextas potencias

Numbers that are both squares and cubes are sixth powers

Solución:

Hasta 529,529, hay 529=23\lfloor\sqrt{529}\rfloor=23 cuadrados, 88 cubos y 22 sextas potencias contadas en ambos grupos. Por lo tanto, el número de términos permitidos que no superan 529529 es 529238+2=500.529-23-8+2=500. Pero 529=232529=23^2 queda excluido, mientras que 528528 no es cuadrado ni cubo. Por consiguiente, el término 500500 es 528.528.

Through 529,529, there are 529=23\lfloor\sqrt{529}\rfloor=23 squares, 88 cubes, and 22 sixth powers counted in both groups. Thus the number of allowed terms at most 529529 is 529238+2=500.529-23-8+2=500. But 529=232529=23^2 is excluded, while 528528 is neither a square nor a cube. Therefore the 500500th term is 528.528.

2.

Halla el valor de (52+643)32(52643)32.\begin{aligned}&(52+6\sqrt{43})^{\frac{3}{2}}\\&\quad-(52-6\sqrt{43})^{\frac{3}{2}}.\end{aligned}

Find the value of (52+643)32(52643)32.\begin{aligned}&(52+6\sqrt{43})^{\frac{3}{2}}\\&\quad-(52-6\sqrt{43})^{\frac{3}{2}}.\end{aligned}

Nivel de dificultad: 1750
Pista pequeña:

Expresa 52±64352\pm6\sqrt{43} como cuadrados de expresiones radicales conjugadas

Express 52±64352\pm6\sqrt{43} as squares of conjugate radical expressions

Pista grande:

Después de elevar a la potencia 32\frac{3}{2}, desarrolla simétricamente la diferencia de los dos cubos

After taking the 32\frac{3}{2} powers, expand the difference of the two cubes symmetrically

Solución:

Como 52±643=(43±3)252\pm6\sqrt{43}=(\sqrt{43}\pm3)^2 y 43>3,\sqrt{43}\gt3, la expresión es (43+3)3(433)3.(\sqrt{43}+3)^3-(\sqrt{43}-3)^3. Al usar (x+y)3(xy)3=6x2y+2y3(x+y)^3-(x-y)^3=6x^2y+2y^3 con x=43x=\sqrt{43} y y=3y=3, se obtiene 6(43)(3)+2(27)=774+54=828.\begin{aligned}6(43)(3)+2(27)&=774+54\\&=828.\end{aligned}

Since 52±643=(43±3)252\pm6\sqrt{43}=(\sqrt{43}\pm3)^2 and 43>3,\sqrt{43}\gt3, the expression is (43+3)3(433)3.(\sqrt{43}+3)^3-(\sqrt{43}-3)^3. Using (x+y)3(xy)3=6x2y+2y3(x+y)^3-(x-y)^3=6x^2y+2y^3 with x=43x=\sqrt{43} and y=3y=3 gives 6(43)(3)+2(27)=774+54=828.\begin{aligned}6(43)(3)+2(27)&=774+54\\&=828.\end{aligned}

3.

Sea P1P_1 un polígono regular de rr lados y P2P_2 un polígono regular de ss lados (rs3)(r\geq s\geq3), tales que cada ángulo interior de P1P_1 mide 5958\frac{59}{58} de cada ángulo interior de P2.P_2. ¿Cuál es el mayor valor posible de ss?

Let P1P_1 be a regular rr-gon and P2P_2 be a regular ss-gon (rs3)(r\geq s\geq3) such that each interior angle of P1P_1 is 5958\frac{59}{58} as large as each interior angle of P2.P_2. What is the largest possible value of s?s?

Nivel de dificultad: 2040
Pista pequeña:

Usa 180(n2)n\frac{180(n-2)}{n} para el ángulo interior de un polígono regular de nn lados

Use 180(n2)n\frac{180(n-2)}{n} for the interior angle of a regular nn-gon

Pista grande:

Después de simplificar, sea t=118st=118-s y usa que tt es positivo

After simplifying, set t=118st=118-s and use the positivity of tt

Solución:

La condición sobre los ángulos da r2rs2s=5958,\frac{\frac{r-2}{r}}{\frac{s-2}{s}}=\frac{59}{58}, que se simplifica a r(118s)=116s.r(118-s)=116s. Sea t=118s.t=118-s. Entonces r=13688t116.r=\frac{13688}{t}-116. En particular, tt es un divisor positivo de 13688,13688, y maximizar s=118ts=118-t exige tomar el menor tt posible. La elección t=1t=1 da s=117s=117 y el entero positivo r=13572,r=13572, que también satisface rs.r\geq s. Por lo tanto, el mayor valor posible de ss es 117.117.

The angle condition gives r2rs2s=5958,\frac{\frac{r-2}{r}}{\frac{s-2}{s}}=\frac{59}{58}, which simplifies to r(118s)=116s.r(118-s)=116s. Put t=118s.t=118-s. Then r=13688t116.r=\frac{13688}{t}-116. In particular, tt is a positive divisor of 13688,13688, and maximizing s=118ts=118-t means taking the least possible t.t. The choice t=1t=1 gives s=117s=117 and the positive integer r=13572,r=13572, which also satisfies rs.r\geq s. Hence the largest possible ss is 117.117.

4.

Halla la solución positiva de 1x210x29+1x210x452x210x69=0.\begin{aligned}&\frac1{x^2-10x-29}\\&\quad+\frac1{x^2-10x-45}\\&\quad-\frac2{x^2-10x-69}=0.\end{aligned}

Find the positive solution to 1x210x29+1x210x452x210x69=0.\begin{aligned}&\frac1{x^2-10x-29}\\&\quad+\frac1{x^2-10x-45}\\&\quad-\frac2{x^2-10x-69}=0.\end{aligned}

Nivel de dificultad: 1830
Pista pequeña:

Sea y=x210xy=x^2-10x para que los tres denominadores difieran solo por constantes

Set y=x210xy=x^2-10x so the three denominators differ only by constants

Pista grande:

Combina las dos primeras fracciones antes de eliminar los denominadores

Combine the first two fractions before clearing denominators

Solución:

Sea y=x210x.y=x^2-10x. Al combinar las dos primeras fracciones y eliminar los denominadores no nulos se obtiene una igualdad entre (y37)(y69)(y-37)(y-69) y (y29)(y45).(y-29)(y-45). Al desarrollar y cancelar y2y^2 se obtiene y=39.y=39. Así, x210x39=0,x^2-10x-39=0, por lo que (x13)(x+3)=0.(x-13)(x+3)=0. La solución positiva es 13.13.

Set y=x210x.y=x^2-10x. Combining the first two fractions and clearing the nonzero denominators gives an equality between (y37)(y69)(y-37)(y-69) and (y29)(y45).(y-29)(y-45). Expanding and canceling y2y^2 yields y=39.y=39. Thus x210x39=0,x^2-10x-39=0, so (x13)(x+3)=0.(x-13)(x+3)=0. The positive solution is 13.13.

5.

Sea nn el menor entero positivo que es múltiplo de 7575 y tiene exactamente 7575 divisores enteros positivos, incluidos 11 y él mismo. Halla n75.\frac{n}{75}.

Let nn be the smallest positive integer that is a multiple of 7575 and has exactly 7575 positive integral divisors, including 11 and itself. Find n75.\frac{n}{75}.

Nivel de dificultad: 2100
Pista pequeña:

Descompón 7575 en posibles productos de números que sean uno más que los exponentes primos

Factor 7575 into possible products of numbers one greater than prime exponents

Pista grande:

El patrón de exponentes (4,4,2)(4,4,2) puede incluir los factores requeridos 33 y 525^2, asignando los mayores exponentes a los menores primos

The exponent pattern (4,4,2)(4,4,2) can include the required factors 33 and 525^2 while assigning the largest exponents to the smallest primes

Solución:

Las particiones multiplicativas de 7575 dan los patrones de exponentes (74),(74), (24,2),(24,2), (14,4),(14,4), y (4,4,2).(4,4,2). Un número divisible por 75=35275=3\cdot5^2 necesita los dos primos 33 y 5,5, así que el patrón de un solo primo es imposible. Los menores candidatos de los patrones de dos primos son 324523^{24}5^2 y 31454,3^{14}5^4, respectivamente. El menor candidato con tres primos es n=243452.n=2^4\cdot3^4\cdot5^2. Tiene (4+1)(4+1)(2+1)=75(4+1)(4+1)(2+1)=75 divisores, y cada candidato con dos primos es mayor porque 32452n=32016>1 \frac{3^{24}5^2}{n}=\frac{3^{20}}{16}\gt1 y 31454n=3105216>1. \frac{3^{14}5^4}{n}=\frac{3^{10}5^2}{16}\gt1. Por lo tanto, n75=243452352=2433=432.\frac n{75}=\frac{2^4\cdot3^4\cdot5^2}{3\cdot5^2}=2^4\cdot3^3=432.

The multiplicative partitions of 7575 give exponent patterns (74),(74), (24,2),(24,2), (14,4),(14,4), and (4,4,2).(4,4,2). A number divisible by 75=35275=3\cdot5^2 needs both primes 33 and 5,5, so the one-prime pattern is impossible. The smallest candidates from the two-prime patterns are 324523^{24}5^2 and 31454,3^{14}5^4, respectively. The smallest three-prime candidate is n=243452.n=2^4\cdot3^4\cdot5^2. It has (4+1)(4+1)(2+1)=75(4+1)(4+1)(2+1)=75 divisors, and each two-prime candidate is larger because 32452n=32016>1 \frac{3^{24}5^2}{n}=\frac{3^{20}}{16}\gt1 and 31454n=3105216>1. \frac{3^{14}5^4}{n}=\frac{3^{10}5^2}{16}\gt1. Therefore n75=243452352=2433=432.\frac n{75}=\frac{2^4\cdot3^4\cdot5^2}{3\cdot5^2}=2^4\cdot3^3=432.

6.

Una bióloga quiere calcular el número de peces de un lago. El 11 de mayo captura una muestra aleatoria de 6060 peces, los marca y los suelta. El 11 de septiembre captura una muestra aleatoria de 7070 peces y descubre que 33 están marcados. Para calcular el número de peces que había en el lago el 11 de mayo, supone que el 25%25\% de esos peces ya no está en el lago el 11 de septiembre (por muertes y emigraciones), que el 40%40\% de los peces no estaba en el lago el 11 de mayo (por nacimientos e inmigraciones), y que las cantidades de peces sin marca y con marca de la muestra del 11 de septiembre son representativas de la población total. ¿Qué número de peces calcula la bióloga que había en el lago el 11 de mayo?

A biologist wants to calculate the number of fish in a lake. On May 11 she catches a random sample of 6060 fish, tags them, and releases them. On September 11 she catches a random sample of 7070 fish and finds that 33 of them are tagged. To calculate the number of fish in the lake on May 1,1, she assumes that 25%25\% of these fish are no longer in the lake on September 11 (because of death and emigrations), that 40%40\% of the fish were not in the lake May 11 (because of births and immigrations), and that the number of untagged fish and tagged fish in the September 11 sample are representative of the total population. What does the biologist calculate for the number of fish in the lake on May 1?1?

Nivel de dificultad: 1830
Pista pequeña:

Determina primero cuántos de los peces marcados originalmente permanecen en septiembre

First determine how many of the original tagged fish remain in September

Pista grande:

Usa la fracción marcada de la muestra para estimar la población de septiembre y luego identifica el 60%60\% que estaba presente en mayo

Use the sample’s tagged fraction to estimate the September population, then identify the 60%60\% that were present in May

Solución:

De los 6060 peces marcados, el 75%75\% permanece en septiembre, de modo que quedan 4545 peces marcados. La muestra estima que los peces marcados constituyen 370\frac{3}{70} de la población de septiembre, por lo que esa población es 45(703)=1050.45\left(\frac{70}{3}\right)=1050. De esos peces, el 60%60\% estaba presente en mayo, así que quedan 630630 peces supervivientes de mayo. Estos representan el 75%75\% de la población de mayo. Por lo tanto, la población estimada de mayo es 6300.75=840.\frac{630}{0.75}=840.

Of the 6060 tagged fish, 75%75\% remain in September, so 4545 tagged fish remain. The sample estimates that tagged fish form 370\frac{3}{70} of the September population, making that population 45(703)=1050.45\left(\frac{70}{3}\right)=1050. Of those fish, 60%60\% were present in May, so 630630 surviving May fish remain. These are 75%75\% of the May population. Thus the estimated May population is 6300.75=840.\frac{630}{0.75}=840.

7.

Un triángulo tiene vértices P=(8,5),P=(-8,5), Q=(15,19),Q=(-15,-19), y R=(1,7).R=(1,-7). La ecuación de la bisectriz de P\angle P puede escribirse en la forma ax+2y+c=0.ax+2y+c=0. Halla a+c.a+c.

A triangle has vertices P=(8,5),P=(-8,5), Q=(15,19),Q=(-15,-19), and R=(1,7).R=(1,-7). The equation of the bisector of P\angle P can be written in the form ax+2y+c=0.ax+2y+c=0. Find a+c.a+c.

Nivel de dificultad: 2100
Pista pequeña:

Halla los vectores unitarios desde PP hacia QQ y RR

Find the unit vectors from PP toward QQ and RR

Pista grande:

La dirección de la bisectriz interior es la suma de los dos vectores unitarios

The internal angle-bisector direction is the sum of the two unit vectors

Solución:

Tenemos PQ=(7,24)\overrightarrow{PQ}=(-7,-24) de longitud 25,25, y PR=(9,12)\overrightarrow{PR}=(9,-12) de longitud 15.15. La suma de sus vectores unitarios es v=(725,2425)+(35,45)=125(8,44),\begin{aligned}v&=\left(-\frac7{25},-\frac{24}{25}\right)\\&\quad+\left(\frac35,-\frac45\right)\\&=\frac1{25}(8,-44),\end{aligned} así que la bisectriz tiene dirección (2,11).(2,-11). Un vector normal es (11,2).(11,2). Como pasa por P=(8,5),P=(-8,5), su ecuación es 11(x+8)+2(y5)=0,11(x+8)+2(y-5)=0, o bien 11x+2y+78=0.11x+2y+78=0. Por consiguiente, a+c=11+78=89.a+c=11+78=89.

We have PQ=(7,24)\overrightarrow{PQ}=(-7,-24) with length 25,25, and PR=(9,12)\overrightarrow{PR}=(9,-12) with length 15.15. The sum of their unit vectors is v=(725,2425)+(35,45)=125(8,44),\begin{aligned}v&=\left(-\frac7{25},-\frac{24}{25}\right)\\&\quad+\left(\frac35,-\frac45\right)\\&=\frac1{25}(8,-44),\end{aligned} so the angle bisector has direction (2,11).(2,-11). A normal vector is (11,2).(11,2). Through P=(8,5),P=(-8,5), its equation is 11(x+8)+2(y5)=0,11(x+8)+2(y-5)=0, or 11x+2y+78=0.11x+2y+78=0. Hence a+c=11+78=89.a+c=11+78=89.

8.

En una competencia de tiro, se colocan ocho platos de arcilla en dos columnas colgantes de tres platos cada una y una columna de dos platos. Un tirador debe romper todos los platos de acuerdo con las siguientes reglas:

(1)(1) El tirador elige primero una columna de la cual romperá un plato.

(2)(2) Después debe romper el plato restante más bajo de la columna elegida.

Si se siguen las reglas, ¿en cuántos órdenes distintos pueden romperse los ocho platos?

In a shooting match, eight clay targets are arranged in two hanging columns of three targets each and one column of two targets. A marksman is to break all the targets according to the following rules:

(1)(1) The marksman first chooses a column from which a target is to be broken.

(2)(2) The marksman must then break the lowest remaining target in the chosen column.

If the rules are followed, in how many different orders can the eight targets be broken?

Nivel de dificultad: 1800
Pista pequeña:

Dentro de cada columna, el orden de abajo hacia arriba está fijado

Within each column, the bottom-to-top order is forced

Pista grande:

Codifica un orden solo mediante la secuencia de columnas elegidas, con multiplicidades 3,3, 3,3, y 22

Encode an order only by the sequence of chosen columns, with multiplicities 3,3, 3,3, and 22

Solución:

Una vez conocida la columna elegida en cada disparo, el plato de esa columna queda determinado. Así, cada orden válido corresponde a una disposición de tres símbolos de la primera columna, tres de la segunda y dos de la tercera. El número de tales disposiciones es 8!3!3!2!=560.\frac{8!}{3!\,3!\,2!}=560.

Once the chosen column is known at each shot, the target within that column is forced. Thus every valid order corresponds to an arrangement of three symbols from the first column, three from the second, and two from the third. The number of such arrangements is 8!3!3!2!=560.\frac{8!}{3!\,3!\,2!}=560.

9.

Se lanza una moneda equilibrada 1010 veces. Sea ij,\frac{i}{j}, en términos mínimos, la probabilidad de que nunca aparezcan caras en lanzamientos consecutivos. Halla i+j.i+j.

A fair coin is to be tossed 1010 times. Let ij,\frac{i}{j}, in lowest terms, be the probability that heads never occur on consecutive tosses. Find i+j.i+j.

Nivel de dificultad: 2000
Pista pequeña:

Cuenta las secuencias válidas de nn lanzamientos según terminen en cruz o en cara

Count valid length-nn toss strings according to whether they end in tails or heads

Pista grande:

La recurrencia resultante es similar a la de Fibonacci, con valores iniciales 22 y 33

The resulting recurrence is Fibonacci-like, with initial counts 22 and 33

Solución:

Sea unu_n el número de secuencias de nn lanzamientos sin caras consecutivas. Una secuencia válida que termina en cruz se obtiene añadiendo T\mathrm{T} a cualquier secuencia válida de longitud (n1)(n-1), mientras que una que termina en cara se obtiene añadiendo TH\mathrm{TH} a cualquier secuencia válida de longitud (n2)(n-2). Por tanto, un=un1+un2,u_n=u_{n-1}+u_{n-2}, con u1=2u_1=2 y u2=3.u_2=3. Esto da u10=144.u_{10}=144. La probabilidad es 144210=964,\frac{144}{2^{10}}=\frac{9}{64}, así que i+j=9+64=73.i+j=9+64=73.

Let unu_n be the number of length-nn toss strings with no consecutive heads. A valid string ending in tails is obtained by appending T\mathrm{T} to any valid length-(n1)(n-1) string, while one ending in heads is obtained by appending TH\mathrm{TH} to any valid length-(n2)(n-2) string. Hence un=un1+un2,u_n=u_{n-1}+u_{n-2}, with u1=2u_1=2 and u2=3.u_2=3. This gives u10=144.u_{10}=144. The probability is 144210=964,\frac{144}{2^{10}}=\frac{9}{64}, so i+j=9+64=73.i+j=9+64=73.

10.

Los conjuntos A={z:z18=1}A=\{z:z^{18}=1\} y B={w:w48=1}B=\{w:w^{48}=1\} son conjuntos de raíces complejas de la unidad. El conjunto C={zw:zA, wB}C=\{zw:z\in A,\ w\in B\} también es un conjunto de raíces complejas de la unidad. ¿Cuántos elementos distintos hay en CC?

The sets A={z:z18=1}A=\{z:z^{18}=1\} and B={w:w48=1}B=\{w:w^{48}=1\} are both sets of complex roots of unity. The set C={zw:zA, wB}C=\{zw:z\in A,\ w\in B\} is also a set of complex roots of unity. How many distinct elements are in C?C?

Nivel de dificultad: 2270
Pista pequeña:

Escribe las raíces como exponenciales cuyos argumentos sean múltiplos de 2π18\frac{2\pi}{18} y 2π48\frac{2\pi}{48}

Write the roots as exponentials whose arguments are multiples of 2π18\frac{2\pi}{18} and 2π48\frac{2\pi}{48}

Pista grande:

Las sumas de esos argumentos generan todos los múltiplos de 2πlcm(18,48)\frac{2\pi}{\operatorname{lcm}(18,48)}

The sums of those arguments generate all multiples of 2πlcm(18,48)\frac{2\pi}{\operatorname{lcm}(18,48)}

Solución:

Los argumentos de los productos de CC son 2π(a18+b48)=2π(8a+3b)144.2\pi\left(\frac a{18}+\frac b{48}\right)=\frac{2\pi(8a+3b)}{144}. Como gcd(8,3)=1,\gcd(8,3)=1, los residuos 8a+3b8a+3b generan todos los residuos módulo 144.144. Así, CC es precisamente el conjunto de las raíces de orden 144144 de la unidad. De manera equivalente, su orden es lcm(18,48)=144.\operatorname{lcm}(18,48)=144.

The arguments of products in CC are 2π(a18+b48)=2π(8a+3b)144.2\pi\left(\frac a{18}+\frac b{48}\right)=\frac{2\pi(8a+3b)}{144}. Since gcd(8,3)=1,\gcd(8,3)=1, the residues 8a+3b8a+3b generate every residue modulo 144.144. Thus CC is precisely the set of 144144th roots of unity. Equivalently, its order is lcm(18,48)=144.\operatorname{lcm}(18,48)=144.

11.

Alguien observó que 6!=8910.6!=8\cdot9\cdot10. Halla el mayor entero positivo nn para el cual n!n! puede expresarse como el producto de n3n-3 enteros positivos consecutivos.

Someone observed that 6!=8910.6!=8\cdot9\cdot10. Find the largest positive integer nn for which n!n! can be expressed as the product of n3n-3 consecutive positive integers.

Nivel de dificultad: 2230
Pista pequeña:

Compara n!n! con los productos de n3n-3 enteros consecutivos que comienzan en 44 y en 55

Compare n!n! with products of n3n-3 consecutive integers beginning at 44 and at 55

Pista grande:

El producto que comienza en 55 es igual a (n+1)!4!\frac{(n+1)!}{4!}

The product beginning at 55 equals (n+1)!4!\frac{(n+1)!}{4!}

Solución:

Los n3n-3 enteros consecutivos que comienzan en 44 tienen producto 45n=n!6,4\cdot5\cdots n=\frac{n!}{6}, mientras que los que comienzan en 55 tienen producto 56(n+1)=(n+1)!24=n+124n!.\begin{aligned}5\cdot6\cdots(n+1)&=\frac{(n+1)!}{24}\\&=\frac{n+1}{24}n!.\end{aligned} Para n=23,n=23, el segundo producto es igual a n!,n!, así que 2323 funciona. Para todo n24,n\geq24, el producto que comienza en 44 es menor que n!,n!, el que comienza en 55 es mayor que n!,n!, y el producto aumenta estrictamente con su término inicial. Por consiguiente, ningún n24n\geq24 funciona y el mayor valor posible es 23.23.

The n3n-3 consecutive integers beginning at 44 have product 45n=n!6,4\cdot5\cdots n=\frac{n!}{6}, while those beginning at 55 have product 56(n+1)=(n+1)!24=n+124n!.\begin{aligned}5\cdot6\cdots(n+1)&=\frac{(n+1)!}{24}\\&=\frac{n+1}{24}n!.\end{aligned} For n=23,n=23, the latter product equals n!,n!, so 2323 works. For every n24,n\geq24, the product beginning at 44 is below n!,n!, the product beginning at 55 is above n!,n!, and the product strictly increases with its initial term. Hence no n24n\geq24 works, and the largest possible value is 23.23.

12.

Un polígono regular de 1212 lados está inscrito en una circunferencia de radio 12.12. La suma de las longitudes de todos los lados y diagonales del polígono de 1212 lados puede escribirse en la forma a+b2+c3+d6,a+b\sqrt2+c\sqrt3+d\sqrt6, donde a,a, b,b, c,c, y dd son enteros positivos. Halla a+b+c+d.a+b+c+d.

A regular 1212-gon is inscribed in a circle of radius 12.12. The sum of the lengths of all sides and diagonals of the 1212-gon can be written in the form a+b2+c3+d6,a+b\sqrt2+c\sqrt3+d\sqrt6, where a,a, b,b, c,c, and dd are positive integers. Find a+b+c+d.a+b+c+d.

Nivel de dificultad: 2380
Pista pequeña:

Agrupa las cuerdas según el número de pasos entre vértices k,k, donde kk es 1,1, 2,2, ,\ldots, o 66

Group the chords by the number of vertex steps k,k, where kk is 1,1, 2,2, ,\ldots, or 66

Pista grande:

Para k<6k\lt6 hay 1212 cuerdas de longitud 24sin(kπ12),24\sin(\frac{k\pi}{12}), mientras que hay 66 diámetros

For k<6k\lt6 there are 1212 chords of length 24sin(kπ12),24\sin(\frac{k\pi}{12}), while there are 66 diameters

Solución:

Para kk igual a 1,1, 2,2, ,\ldots, y 5,5, hay 1212 cuerdas de longitud 24sin(kπ12),24\sin(\frac{k\pi}{12}), y hay 66 diámetros de longitud 24.24. Las cinco longitudes de cuerda son 6(62),12,122,123,6(6+2).\begin{gathered}6(\sqrt6-\sqrt2),\quad12,\quad12\sqrt2,\\12\sqrt3,\quad6(\sqrt6+\sqrt2).\end{gathered} Su suma UU es U=12+122+123+126.\begin{aligned}U&=12+12\sqrt2\\&\quad+12\sqrt3+12\sqrt6.\end{aligned} Por lo tanto, el total es 12U+6(24)=288+1442+1443+1446.\begin{aligned}12U+6(24)&=288+144\sqrt2\\&\quad+144\sqrt3\\&\quad+144\sqrt6.\end{aligned} Así, a=288a=288 y b=c=d=144,b=c=d=144, por lo que a+b+c+d=720.a+b+c+d=720.

For kk equal to 1,1, 2,2, ,\ldots, and 5,5, there are 1212 chords of length 24sin(kπ12),24\sin(\frac{k\pi}{12}), and there are 66 diameters of length 24.24. The five chord lengths are 6(62),12,122,123,6(6+2).\begin{gathered}6(\sqrt6-\sqrt2),\quad12,\quad12\sqrt2,\\12\sqrt3,\quad6(\sqrt6+\sqrt2).\end{gathered} Their sum UU is U=12+122+123+126.\begin{aligned}U&=12+12\sqrt2\\&\quad+12\sqrt3+12\sqrt6.\end{aligned} Therefore the total is 12U+6(24)=288+1442+1443+1446.\begin{aligned}12U+6(24)&=288+144\sqrt2\\&\quad+144\sqrt3\\&\quad+144\sqrt6.\end{aligned} Hence a=288a=288 and b=c=d=144,b=c=d=144, so a+b+c+d=720.a+b+c+d=720.

13.

Sea TT el conjunto de potencias 9k,9^k, donde kk es un entero con 0k4000.0\leq k\leq4000. Dado que 940009^{4000} tiene 38173817 dígitos y que su primer dígito (el de más a la izquierda) es 9,9, ¿cuántos elementos de TT tienen 99 como primer dígito?

Let TT be the set of powers 9k,9^k, where kk is an integer with 0k4000.0\leq k\leq4000. Given that 940009^{4000} has 38173817 digits and that its first (leftmost) digit is 9,9, how many elements of TT have 99 as their leftmost digit?

Nivel de dificultad: 2230
Pista pequeña:

Compara el número de dígitos de 9k9^k con el de 9k19^{k-1}

Compare the number of digits of 9k9^k with that of 9k19^{k-1}

Pista grande:

Multiplicar por 99 produce un primer dígito 99 exactamente cuando no aumenta el número de dígitos

A multiplication by 99 produces a leading 99 exactly when the digit count does not increase

Solución:

Para k1,k\geq1, el número 9k9^k comienza con 99 exactamente cuando tiene el mismo número de dígitos que 9k1.9^{k-1}. En efecto, si 9k19^{k-1} tiene dd dígitos y al multiplicarlo por 99 no aparece un nuevo dígito, entonces 9k910d1,9^k\geq9\cdot10^{d-1}, de modo que su primer dígito es 9.9. Si aparece un nuevo dígito, entonces 9k<910d,9^k\lt9\cdot10^d, por lo que su primer dígito es a lo sumo 8.8.

Comenzando con el número de un dígito 90,9^0, el número de dígitos llega a 38173817 después de 40004000 multiplicaciones. Por lo tanto, aumenta en 38163816 pasos y permanece sin cambios en 40003816=1844000-3816=184 pasos. Como 90=19^0=1 no comienza con 9,9, exactamente 184184 elementos de TT sí lo hacen.

For k1,k\geq1, the number 9k9^k begins with 99 exactly when it has the same number of digits as 9k1.9^{k-1}. Indeed, if 9k19^{k-1} has dd digits and multiplication by 99 creates no new digit, then 9k910d1,9^k\geq9\cdot10^{d-1}, so its leading digit is 9.9. If multiplication does create a new digit, then 9k<910d,9^k\lt9\cdot10^d, so its leading digit is at most 8.8.

Starting from the one-digit number 90,9^0, the digit count reaches 38173817 after 40004000 multiplications. Thus it increases on 38163816 steps and stays unchanged on 40003816=1844000-3816=184 steps. Since 90=19^0=1 does not begin with 9,9, exactly 184184 elements of TT do.

14.

El rectángulo ABCDABCD que aparece abajo tiene dimensiones AB=123AB=12\sqrt3 y BC=133.BC=13\sqrt3. Las diagonales ACAC y BDBD se cortan en P.P. Si se recorta y retira el triángulo ABPABP, se unen las aristas APAP y BPBP, y luego se pliega la figura por los segmentos CPCP y DP,DP, se obtiene una pirámide triangular cuyas cuatro caras son triángulos isósceles. Halla el volumen de esta pirámide.

The rectangle ABCDABCD below has dimensions AB=123AB=12\sqrt3 and BC=133.BC=13\sqrt3. Diagonals ACAC and BDBD intersect at P.P. If triangle ABPABP is cut out and removed, edges APAP and BPBP are joined, and the figure is then creased along segments CPCP and DP,DP, we obtain a triangular pyramid, all four of whose faces are isosceles triangles. Find the volume of this pyramid.

Nivel de dificultad: 2560
Pista pequeña:

Después de unir APAP y BPBP, los vértices AA y BB se convierten en uno solo; determina las seis longitudes de las aristas del tetraedro

After APAP and BPBP are joined, vertices AA and BB become one vertex; determine all six edge lengths of the tetrahedron

Pista grande:

Coloca C,C, D,D, y el vértice unido en un plano de coordenadas; luego localiza PP usando sus distancias iguales a los demás vértices

Place C,C, D,D, and the joined vertex in one coordinate plane, then locate PP from its equal distances to the other vertices

Solución:

Después de plegar, AA y BB se convierten en un solo vértice X.X. Cada semidiagonal del rectángulo tiene longitud 9392.\frac{\sqrt{939}}{2}. Así, XP=CP=DP=9392,XP=CP=DP=\frac{\sqrt{939}}2, mientras que XC=XD=133XC=XD=13\sqrt3 y CD=123.CD=12\sqrt3.

Coloca C=(63,0,0),D=(63,0,0),\begin{aligned}C&=(-6\sqrt3,0,0),\\D&=(6\sqrt3,0,0),\end{aligned} y X=(0,399,0).X=(0,\sqrt{399},0). Estas coordenadas dan las longitudes requeridas desde XX hasta CC y D.D. Como PP está a la misma distancia de CC y D,D, escribe P=(0,u,h).P=(0,u,h). Al igualar PC2PC^2 y PX2PX^2 se obtiene u=2912399.u=\frac{291}{2\sqrt{399}}. Luego, PC2=9394PC^2=\frac{939}{4} da h2=5074u2=9801133,h^2=\frac{507}{4}-u^2=\frac{9801}{133}, de modo que h=99133.h=\frac{99}{\sqrt{133}}.

El triángulo de la base XCDXCD tiene área 12(123)(399)=18133.\frac12(12\sqrt3)(\sqrt{399})=18\sqrt{133}. Por lo tanto, el volumen de la pirámide es 13(18133)(99133)=594.\frac13(18\sqrt{133})\left(\frac{99}{\sqrt{133}}\right)=594.

After folding, AA and BB become one vertex X.X. Each half-diagonal of the rectangle has length 9392.\frac{\sqrt{939}}{2}. Thus XP=CP=DP=9392,XP=CP=DP=\frac{\sqrt{939}}2, while XC=XD=133XC=XD=13\sqrt3 and CD=123.CD=12\sqrt3.

Place C=(63,0,0),D=(63,0,0),\begin{aligned}C&=(-6\sqrt3,0,0),\\D&=(6\sqrt3,0,0),\end{aligned} and X=(0,399,0).X=(0,\sqrt{399},0). These coordinates give the required lengths from XX to CC and D.D. Because PP is equidistant from CC and D,D, write P=(0,u,h).P=(0,u,h). Equating PC2PC^2 and PX2PX^2 gives u=2912399.u=\frac{291}{2\sqrt{399}}. Then PC2=9394PC^2=\frac{939}{4} yields h2=5074u2=9801133,h^2=\frac{507}{4}-u^2=\frac{9801}{133}, so h=99133.h=\frac{99}{\sqrt{133}}.

The base triangle XCDXCD has area 12(123)(399)=18133.\frac12(12\sqrt3)(\sqrt{399})=18\sqrt{133}. Therefore the pyramid’s volume is 13(18133)(99133)=594.\frac13(18\sqrt{133})\left(\frac{99}{\sqrt{133}}\right)=594.

15.

Halla ax5+by5ax^5+by^5 si los números reales a,a, b,b, x,x, y yy satisfacen las ecuaciones ax+by=3,ax2+by2=7,ax3+by3=16,ax4+by4=42.\begin{aligned}ax+by&=3,\\ax^2+by^2&=7,\\ax^3+by^3&=16,\\ax^4+by^4&=42.\end{aligned}

Find ax5+by5ax^5+by^5 if the real numbers a,a, b,b, x,x, and yy satisfy the equations ax+by=3,ax2+by2=7,ax3+by3=16,ax4+by4=42.\begin{aligned}ax+by&=3,\\ax^2+by^2&=7,\\ax^3+by^3&=16,\\ax^4+by^4&=42.\end{aligned}

Nivel de dificultad: 2270
Pista pequeña:

Sea Sk=axk+bykS_k=ax^k+by^k y deriva una recurrencia usando x+yx+y y xyxy

Let Sk=axk+bykS_k=ax^k+by^k and derive a recurrence using x+yx+y and xyxy

Pista grande:

Usa S3S_3 y S4S_4 para hallar los dos coeficientes de la recurrencia antes de calcular S5S_5

Use S3S_3 and S4S_4 to solve for the two recurrence coefficients before computing S5S_5

Solución:

Sean Sk=axk+byk,S_k=ax^k+by^k, p=x+y,p=x+y, y q=xy.q=xy. Como xx y yy satisfacen t2=ptq,t^2=pt-q, Sk+2=pSk+1qSk.S_{k+2}=pS_{k+1}-qS_k. Al usar S1=3,S_1=3, S2=7,S_2=7, S3=16,S_3=16, y S4=42S_4=42 se obtiene 7p3q=16,16p7q=42.\begin{aligned}7p-3q&=16,\\16p-7q&=42.\end{aligned} Al resolver, p=14p=-14 y q=38.q=-38. Por lo tanto, S5=pS4qS3=14(42)+38(16)=20.\begin{aligned}S_5&=pS_4-qS_3\\&=-14(42)+38(16)\\&=20.\end{aligned}

Let Sk=axk+byk,S_k=ax^k+by^k, p=x+y,p=x+y, and q=xy.q=xy. Since xx and yy each satisfy t2=ptq,t^2=pt-q, Sk+2=pSk+1qSk.S_{k+2}=pS_{k+1}-qS_k. Using S1=3,S_1=3, S2=7,S_2=7, S3=16,S_3=16, and S4=42S_4=42 gives 7p3q=16,16p7q=42.\begin{aligned}7p-3q&=16,\\16p-7q&=42.\end{aligned} Solving yields p=14p=-14 and q=38.q=-38. Therefore S5=pS4qS3=14(42)+38(16)=20.\begin{aligned}S_5&=pS_4-qS_3\\&=-14(42)+38(16)\\&=20.\end{aligned}