1993 AIME Problema 14

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

14.

Un rectángulo inscrito en otro mayor, con un vértice sobre cada lado, se llama suelto si es posible girar el rectángulo menor alrededor de su centro, aunque sea muy poco, sin salir del mayor. Entre todos los rectángulos que pueden inscribirse de manera suelta en un rectángulo de 66 por 88, el menor perímetro tiene la forma N,\sqrt N, donde NN es un entero positivo. Halla N.N.

A rectangle that is inscribed in a larger rectangle (with one vertex on each side) is called unstuck if it is possible to rotate (however slightly) the smaller rectangle about its center within the confines of the larger. Of all the rectangles that can be inscribed unstuck in a 66 by 88 rectangle, the smallest perimeter has the form N,\sqrt N, for a positive integer N.N. Find N.N.

Respuesta: 448
Conceptos:geometría analíticaoptimizaciónrectángulo
Nivel de dificultad: 2890
Pista pequeña:

Centra el rectángulo de 66 por 88 en el origen y parametriza dos vértices interiores consecutivos sobre los lados derecho y superior

Center the 66-by-88 rectangle at the origin and parameterize consecutive inner vertices on the right and top sides

Pista grande:

Usa la igualdad de las semidiagonales para relacionar las dos coordenadas libres y luego expresa el cuadrado del perímetro mediante la diagonal y el área

Use equal half-diagonals to relate the two free coordinates, then express the square of the perimeter through the diagonal and area

Solución:

Los vértices opuestos están en lados opuestos del rectángulo exterior, por lo que ambos rectángulos tienen el mismo centro. Bajo una pequeña rotación de ángulo δ,\delta, un punto de contacto del lado derecho en (4,y)(4,y) se desplaza hacia dentro solo si yδ0,y\delta\geq0, mientras que un punto de contacto del lado superior en (u,3)(u,3) se desplaza hacia dentro solo si uδ0.u\delta\leq0. Por tanto, los desplazamientos de un rectángulo suelto tienen signos opuestos; después de una reflexión, sus vértices consecutivos pueden escribirse como (4,y),(x,3),(4,y),(x,3)(4,y),(-x,3),(-4,-y),(x,-3) con x,y0.x,y\geq0. La igualdad de las semidiagonales da 16+y2=x2+9,16+y^2=x^2+9, así que x2y2=7.x^2-y^2=7. Si sus lados tienen longitudes a,b,a,b, entonces a2+b2=4(16+y2),ab=24+2xy.\begin{aligned}a^2+b^2&=4(16+y^2),\\ab&=24+2xy.\end{aligned} Por lo tanto, su perímetro Q=2(a+b)Q=2(a+b) satisface Q2=4(a2+b2+2ab)=448+16y(y+x)448.\begin{aligned}Q^2&=4(a^2+b^2+2ab)\\&=448+16y(y+x)\geq448.\end{aligned} La igualdad ocurre cuando y=0, x=7,y=0,\ x=\sqrt7, lo que produce un rectángulo no alineado con los ejes y, por tanto, suelto. Así, el perímetro mínimo es 448\sqrt{448} y N=448.N=448.

Opposite vertices lie on opposite sides of the outer rectangle, so the two rectangles have the same center. For a small rotation through angle δ,\delta, a right-side contact at (4,y)(4,y) moves inward only if yδ0,y\delta\geq0, while a top-side contact at (u,3)(u,3) moves inward only if uδ0.u\delta\leq0. Thus an unstuck rectangle has opposite-signed offsets; after reflection, write its consecutive vertices as (4,y),(x,3),(4,y),(x,3)(4,y),(-x,3),(-4,-y),(x,-3) with x,y0.x,y\geq0. Equal half-diagonals give 16+y2=x2+9,16+y^2=x^2+9, so x2y2=7.x^2-y^2=7. If its side lengths are a,b,a,b, then a2+b2=4(16+y2),ab=24+2xy.\begin{aligned}a^2+b^2&=4(16+y^2),\\ab&=24+2xy.\end{aligned} Therefore its perimeter Q=2(a+b)Q=2(a+b) satisfies Q2=4(a2+b2+2ab)=448+16y(y+x)448.\begin{aligned}Q^2&=4(a^2+b^2+2ab)\\&=448+16y(y+x)\geq448.\end{aligned} Equality occurs at y=0, x=7,y=0,\ x=\sqrt7, which gives a non-axis-aligned, hence unstuck, rectangle. Thus the minimum perimeter is 448\sqrt{448} and N=448.N=448.

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