Soluciones del 1993 AIME

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

1.

¿Cuántos enteros pares entre 40004000 y 70007000 tienen sus cuatro cifras distintas?

How many even integers between 40004000 and 70007000 have four different digits?

Conceptos:conteo básicoanálisis por casosdígitos
Nivel de dificultad: 1920
Pista pequeña:

Separa los casos según si la cifra de los millares es par o impar

Separate the cases according to whether the thousands digit is even or odd

Pista grande:

Después de elegir las cifras de los millares y de las unidades, cuenta en orden las opciones para las dos cifras intermedias

After choosing the thousands and units digits, count the choices for the two middle digits in order

Solución:

La cifra de los millares es 4,4, 5,5, o 6.6. Si es 44 o 6,6, la cifra de las unidades tiene 44 opciones entre 0,0, 2,2, 4,4, 6,6, y 8,8, después de lo cual las cifras de las centenas y las decenas tienen 88 y 77 opciones. Estos dos casos aportan 2487=448.2\cdot4\cdot8\cdot7=448. Si la cifra de los millares es 5,5, están disponibles las 55 cifras pares para las unidades, lo que aporta 587=280.5\cdot8\cdot7=280. Por lo tanto, el total es 448+280=728.448+280=728.

The thousands digit is 4,4, 5,5, or 6.6. If it is 44 or 6,6, the units digit has 44 choices among 0,0, 2,2, 4,4, 6,6, and 8,8, after which the hundreds and tens digits have 88 and 77 choices. These two cases contribute 2487=448.2\cdot4\cdot8\cdot7=448. If the thousands digit is 5,5, all 55 even units digits are available, contributing 587=280.5\cdot8\cdot7=280. Thus the total is 448+280=728.448+280=728.

2.

Durante una campaña electoral reciente, un candidato recorrió un país que suponemos situado en un plano. El primer día del recorrido fue hacia el este, el segundo hacia el norte, el tercero hacia el oeste, el cuarto hacia el sur, el quinto hacia el este, y así sucesivamente. Si el candidato recorrió n22\frac{n^2}{2} millas el día nn-ésimo, ¿a cuántas millas de su punto de partida se encontraba al terminar el día 4040?

During a recent campaign for office, a candidate made a tour of a country which we assume lies in a plane. On the first day of the tour he went east, on the second day he went north, on the third day west, on the fourth day south, on the fifth day east, etc. If the candidate went n22\frac{n^2}{2} miles on the nnth day of this tour, how many miles was he from his starting point at the end of the 4040th day?

Nivel de dificultad: 2070
Pista pequeña:

Agrupa los 4040 días en diez ciclos de cuatro días y suma por separado los desplazamientos horizontal y vertical

Group the 4040 days into ten four-day cycles and sum horizontal and vertical displacements separately

Pista grande:

Para el índice de ciclo k,k, compara (4k+1)2(4k+1)^2 con (4k+3)2(4k+3)^2, y compara de manera análoga el otro par

For cycle index k,k, compare (4k+1)2(4k+1)^2 with (4k+3)2(4k+3)^2, and similarly compare the other pair

Solución:

Numera los diez ciclos con k=0,1,,9.k=0,1,\ldots,9. El desplazamiento horizontal es 12k=09((4k+1)2(4k+3)2)=k=09(8k4)=400.\begin{aligned}&\frac12\sum_{k=0}^9\left((4k+1)^2-(4k+3)^2\right)\\&\quad=\sum_{k=0}^9(-8k-4)\\&\quad=-400.\end{aligned} De manera análoga, el desplazamiento vertical es 12k=09((4k+2)2(4k+4)2)=k=09(8k6)=420.\begin{aligned}&\frac12\sum_{k=0}^9\left((4k+2)^2-(4k+4)^2\right)\\&\quad=\sum_{k=0}^9(-8k-6)\\&\quad=-420.\end{aligned} Por lo tanto, la distancia al punto de partida es 4002+4202=580.\sqrt{400^2+420^2}=580.

Index the ten cycles by k=0,1,,9.k=0,1,\ldots,9. The horizontal displacement is 12k=09((4k+1)2(4k+3)2)=k=09(8k4)=400.\begin{aligned}&\frac12\sum_{k=0}^9\left((4k+1)^2-(4k+3)^2\right)\\&\quad=\sum_{k=0}^9(-8k-4)\\&\quad=-400.\end{aligned} Similarly, the vertical displacement is 12k=09((4k+2)2(4k+4)2)=k=09(8k6)=420.\begin{aligned}&\frac12\sum_{k=0}^9\left((4k+2)^2-(4k+4)^2\right)\\&\quad=\sum_{k=0}^9(-8k-6)\\&\quad=-420.\end{aligned} Therefore the distance from the start is 4002+4202=580.\sqrt{400^2+420^2}=580.

3.

La tabla siguiente muestra algunos de los resultados del Festival de Pesca de Frostbite Falls del verano pasado e indica cuántos concursantes capturaron nn peces para varios valores de n.n.

nn 00 11 22 33 \ldots
número de concursantes
que capturaron nn peces
99 55 77 2323 \ldots

nn 1313 1414 1515
número de concursantes
que capturaron nn peces
55 22 11

La noticia del periódico sobre el evento informó que

(a) el ganador capturó 1515 peces;
(b) quienes capturaron 33 peces o más promediaron 66 peces por persona;
(c) quienes capturaron 1212 peces o menos promediaron 55 peces por persona.

¿Cuántos peces se capturaron en total durante el festival?

The table below displays some of the results of last summer’s Frostbite Falls Fishing Festival, showing how many contestants caught nn fish for various values of n.n.

nn 00 11 22 33 \ldots
number of contestants
who caught nn fish
99 55 77 2323 \ldots

nn 1313 1414 1515
number of contestants
who caught nn fish
55 22 11

In the newspaper story covering the event, it was reported that

(a) the winner caught 1515 fish;
(b) those who caught 33 or more fish averaged 66 fish each;
(c) those who caught 1212 or fewer fish averaged 55 fish each.

What was the total number of fish caught during the festival?

Nivel de dificultad: 2070
Pista pequeña:

Sea NN el número total de concursantes y TT el número total de peces

Let NN be the total number of contestants and TT the total number of fish

Pista grande:

Usa los dos promedios restando primero los grupos conocidos con menos de 33 peces y con más de 1212 peces

Use the two averages by first subtracting the known groups with fewer than 33 fish and with more than 1212 fish

Solución:

Los 9+5+7=219+5+7=21 concursantes con menos de 33 peces capturaron 5+14=195+14=19 peces. Por lo tanto, la condición (b) da T19=6(N21),T-19=6(N-21), o bien T=6N107.T=6N-107. Los 5+2+1=85+2+1=8 concursantes con más de 1212 peces capturaron 65+28+15=10865+28+15=108 peces, así que la condición (c) da T108=5(N8),T-108=5(N-8), o bien T=5N+68.T=5N+68. Por consiguiente, N=175N=175 y T=943.T=943.

The 9+5+7=219+5+7=21 contestants below 33 fish caught 5+14=195+14=19 fish. Thus condition (b) gives T19=6(N21),T-19=6(N-21), or T=6N107.T=6N-107. The 5+2+1=85+2+1=8 contestants above 1212 fish caught 65+28+15=10865+28+15=108 fish, so condition (c) gives T108=5(N8),T-108=5(N-8), or T=5N+68.T=5N+68. Hence N=175N=175 and T=943.T=943.

4.

¿Cuántas cuádruplas ordenadas de enteros (a,b,c,d)(a,b,c,d) con 0<a<b<c<d<5000<a<b<c<d<500 satisfacen a+d=b+ca+d=b+c y bcad=93bc-ad=93?

How many ordered four-tuples of integers (a,b,c,d)(a,b,c,d) with 0<a<b<c<d<5000<a<b<c<d<500 satisfy a+d=b+ca+d=b+c and bcad=93?bc-ad=93?

Nivel de dificultad: 2310
Pista pequeña:

La primera ecuación implica que ba=dcb-a=d-c

The first equation implies that ba=dcb-a=d-c

Pista grande:

Toma x=ba=dcx=b-a=d-c y factoriza bcadbc-ad en términos de xx y cac-a

Set x=ba=dcx=b-a=d-c and factor bcadbc-ad in terms of xx and cac-a

Solución:

Sean x=ba=dc>0x=b-a=d-c>0 y y=ca.y=c-a. Entonces bcad=(a+x)ca(c+x)=x(ca)=xy=93.\begin{aligned}bc-ad&=(a+x)c-a(c+x)\\&=x(c-a)=xy=93.\end{aligned} Como b<c,b<c, necesitamos x<y.x<y. Los pares de factores positivos son (x,y)=(1,93)(x,y)=(1,93) y (3,31).(3,31). Para el primero, d=a+94<500d=a+94<500 da 405405 opciones para a.a. Para el segundo, d=a+34<500d=a+34<500 da 465465 opciones. El total es 405+465=870.405+465=870.

Let x=ba=dc>0x=b-a=d-c>0 and y=ca.y=c-a. Then bcad=(a+x)ca(c+x)=x(ca)=xy=93.\begin{aligned}bc-ad&=(a+x)c-a(c+x)\\&=x(c-a)=xy=93.\end{aligned} Since b<c,b<c, we need x<y.x<y. The positive factor pairs are (x,y)=(1,93)(x,y)=(1,93) and (3,31).(3,31). For the first, d=a+94<500d=a+94<500 gives 405405 choices for a.a. For the second, d=a+34<500d=a+34<500 gives 465465 choices. The total is 405+465=870.405+465=870.

5.

Sea P0(x)=x3+313x277x8.P_0(x)=x^3+313x^2-77x-8. Para enteros n1,n\geq1, define Pn(x)=Pn1(xn).P_n(x)=P_{n-1}(x-n). ¿Cuál es el coeficiente de xx en P20(x)P_{20}(x)?

Let P0(x)=x3+313x277x8.P_0(x)=x^3+313x^2-77x-8. For integers n1,n\geq1, define Pn(x)=Pn1(xn).P_n(x)=P_{n-1}(x-n). What is the coefficient of xx in P20(x)?P_{20}(x)?

Nivel de dificultad: 1910
Pista pequeña:

Combina los desplazamientos repetidos para escribir P20P_{20} directamente en términos de P0P_0

Collapse the repeated shifts to write P20P_{20} directly in terms of P0P_0

Pista grande:

Después de sustituir x210x-210, reúne únicamente los términos lineales

Only collect the linear terms after substituting x210x-210

Solución:

El desplazamiento acumulado es 1+2++20=210,1+2+\cdots+20=210, así que P20(x)=P0(x210).P_{20}(x)=P_0(x-210). Por lo tanto, el coeficiente de xx es 3(210)22(313)(210)77=13230013146077=763.\begin{aligned}&3(210)^2-2(313)(210)-77\\&\quad=132300-131460-77\\&\quad=763.\end{aligned}

The accumulated shift is 1+2++20=210,1+2+\cdots+20=210, so P20(x)=P0(x210).P_{20}(x)=P_0(x-210). The coefficient of xx is therefore 3(210)22(313)(210)77=13230013146077=763.\begin{aligned}&3(210)^2-2(313)(210)-77\\&\quad=132300-131460-77\\&\quad=763.\end{aligned}

6.

¿Cuál es el menor entero positivo que puede expresarse como suma de nueve enteros consecutivos, como suma de diez enteros consecutivos y como suma de once enteros consecutivos?

What is the smallest positive integer that can be expressed as the sum of nine consecutive integers, the sum of ten consecutive integers, and the sum of eleven consecutive integers?

Nivel de dificultad: 1740
Pista pequeña:

La suma de una cantidad impar de enteros consecutivos es divisible por el número de términos

A sum of an odd number of consecutive integers is divisible by the number of terms

Pista grande:

La suma de diez enteros consecutivos es congruente con 5(mod10)5\pmod {10}

A sum of ten consecutive integers is congruent to 5(mod10)5\pmod {10}

Solución:

Las sumas de 99 y 1111 enteros consecutivos son divisibles por 99 y 11,11, respectivamente, así que el número buscado es múltiplo de 99.99. La suma de 1010 enteros consecutivos tiene la forma 10a+45,10a+45, por lo que es congruente con 5(mod10).5\pmod {10}. El primer múltiplo de 9999 que termina en 55 es 599=495,5\cdot99=495, y entonces existen las tres representaciones requeridas.

The sums of 99 and 1111 consecutive integers are divisible by 99 and 11,11, so the desired number is a multiple of 99.99. A sum of 1010 consecutive integers has the form 10a+45,10a+45, hence is congruent to 5(mod10).5\pmod {10}. The first multiple of 9999 ending in 55 is 599=495,5\cdot99=495, and each of the three required representations then exists.

7.

Se extraen al azar y sin reemplazo tres números, a1,a_1, a2,a_2, a3,a_3, del conjunto {1,2,3,,1000}.\{1,2,3,\ldots,1000\}. Luego se extraen al azar y sin reemplazo otros tres números, b1,b_1, b2,b_2, b3,b_3, del conjunto restante de 997997 números. Sea pp la probabilidad de que, después de una rotación adecuada, un ladrillo de dimensiones a1×a2×a3a_1\times a_2\times a_3 pueda encerrarse en una caja de dimensiones b1×b2×b3,b_1\times b_2\times b_3, con los lados del ladrillo paralelos a los de la caja. Si pp se escribe como fracción en su mínima expresión, ¿cuál es la suma del numerador y el denominador?

Three numbers, a1,a_1, a2,a_2, a3,a_3, are drawn randomly and without replacement from the set {1,2,3,,1000}.\{1,2,3,\ldots,1000\}. Three other numbers, b1,b_1, b2,b_2, b3,b_3, are then drawn randomly and without replacement from the remaining set of 997997 numbers. Let pp be the probability that, after a suitable rotation, a brick of dimensions a1×a2×a3a_1\times a_2\times a_3 can be enclosed in a box of dimensions b1×b2×b3,b_1\times b_2\times b_3, with the sides of the brick parallel to the sides of the box. If pp is written as a fraction in lowest terms, what is the sum of the numerator and denominator?

Nivel de dificultad: 2410
Pista pequeña:

Fija los seis valores seleccionados y, en orden creciente, registra solo si cada uno pertenece al ladrillo o a la caja

Condition on the six selected values and record only whether each belongs to the brick or the box in increasing order

Pista grande:

El ladrillo cabe exactamente cuando cada prefijo de esta palabra de seis letras contiene al menos tantas aa como bb

The brick fits exactly when every prefix of this six-letter word contains at least as many aa’s as bb’s

Solución:

Una vez fijados y ordenados los seis valores distintos, cada una de las (63)=20\binom63=20 asignaciones de tres valores al ladrillo es igualmente probable. Las dimensiones ordenadas del ladrillo caben en las dimensiones ordenadas de la caja exactamente cuando, en cada prefijo de la palabra resultante de tres aa y tres bb, el número de aa es al menos el número de bb. Hay C3=5C_3=5 palabras de este tipo. Por lo tanto, p=520=14,p=\frac{5}{20}=\frac{1}{4}, y la suma pedida es 1+4=5.1+4=5.

After the six distinct values are fixed and sorted, each of the (63)=20\binom63=20 assignments of three values to the brick is equally likely. The sorted brick dimensions fit the sorted box dimensions exactly when, in every prefix of the resulting word of three aa’s and three bb’s, the number of aa’s is at least the number of bb’s. There are C3=5C_3=5 such words. Thus p=520=14,p=\frac{5}{20}=\frac{1}{4}, and the requested sum is 1+4=5.1+4=5.

8.

Sea SS un conjunto de seis elementos. ¿De cuántas maneras distintas se pueden elegir dos subconjuntos no necesariamente distintos de SS de modo que su unión sea SS? El orden de elección no importa; por ejemplo, el par de subconjuntos {a,c},\{a,c\}, {b,c,d,e,f}\{b,c,d,e,f\} representa la misma elección que el par {b,c,d,e,f},\{b,c,d,e,f\}, {a,c}.\{a,c\}.

Let SS be a set with six elements. In how many different ways can one select two not necessarily distinct subsets of SS so that the union of the two subsets is S?S? The order of selection does not matter; for example, the pair of subsets {a,c},\{a,c\}, {b,c,d,e,f}\{b,c,d,e,f\} represents the same selection as the pair {b,c,d,e,f},\{b,c,d,e,f\}, {a,c}.\{a,c\}.

Nivel de dificultad: 1930
Pista pequeña:

Para un par ordenado, cada elemento puede pertenecer solo al primer subconjunto, solo al segundo o a ambos

For an ordered pair, each element can lie in the first subset only, the second only, or both

Pista grande:

Al intercambiar los dos subconjuntos, identifica el único par ordenado que permanece fijo

When the two subsets are swapped, identify the one ordered pair that remains fixed

Solución:

Para un par ordenado (A,B)(A,B) con AB=S,A\cup B=S, cada elemento tiene tres pertenencias posibles: solo a AA, solo a BB o a ambos. Esto da 36=7293^6=729 pares ordenados. Intercambiar AA y BB deja fijo únicamente el par A=B=S.A=B=S. Por lo tanto, el número de pares no ordenados es 729+12=365.\frac{729+1}{2}=365.

For an ordered pair (A,B)(A,B) with AB=S,A\cup B=S, each element has three possible memberships: AA only, BB only, or both. This gives 36=7293^6=729 ordered pairs. Swapping AA and BB fixes only the pair A=B=S.A=B=S. Therefore the number of unordered pairs is 729+12=365.\frac{729+1}{2}=365.

9.

Hay dos mil puntos sobre un círculo. Marca uno de ellos con 1.1. Desde ese punto, cuenta 22 puntos en sentido horario y marca el punto alcanzado con 2.2. Desde el punto marcado con 2,2, cuenta 33 puntos en sentido horario y marca el punto alcanzado con 3.3. (Véase la figura). Continúa este proceso hasta usar todas las marcas 1,1, 2,2, 3,3, ,\ldots, 1993.1993. Algunos puntos del círculo tendrán más de una marca y otros no tendrán ninguna. ¿Cuál es el menor entero que marca el mismo punto que 19931993?

Two thousand points are given on a circle. Label one of the points 1.1. From this point, count 22 points in the clockwise direction and label this point 2.2. From the point labeled 2,2, count 33 points in the clockwise direction and label this point 3.3. (See figure.) Continue this process until the labels 1,1, 2,2, 3,3, ,\ldots, 19931993 are all used. Some of the points on the circle will have more than one label and some points will not have a label. What is the smallest integer that labels the same point as 1993?1993?

Nivel de dificultad: 2550
Pista pequeña:

Mide el desplazamiento horario de cada marca desde el punto marcado con 11

Measure every label’s clockwise displacement from the point labeled 11

Pista grande:

Reduce la congruencia cuadrática resultante por separado módulo 3232 y módulo 125125

Reduce the resulting quadratic congruence separately modulo 3232 and modulo 125125

Solución:

La marca jj está desplazada 2+3++j=j(j+1)212+3+\cdots+j=\frac{j(j+1)}2-1 puntos en sentido horario desde la marca 1.1. Por lo tanto, comparte el punto de la marca 19931993 exactamente cuando j(j+1)19931994j(j+1)\equiv1993\cdot1994 módulo 4000,4000, o, de manera equivalente, cuando j(j+1)2042(mod4000).j(j+1)\equiv2042\pmod {4000}. Módulo 125,125, las soluciones son j6j\equiv6 y j118,j\equiv118, y módulo 32,32, son j9j\equiv9 y j22.j\equiv22. Al combinarlas mediante el teorema chino del resto se obtiene j118,1993,2006,3881(mod4000).\begin{aligned}j\equiv{}&118,1993,\\&2006,3881\pmod {4000}.\end{aligned} La menor posibilidad positiva es 118.118.

Label jj is displaced 2+3++j=j(j+1)212+3+\cdots+j=\frac{j(j+1)}2-1 points clockwise from label 1.1. Thus it shares the point of label 19931993 exactly when j(j+1)19931994j(j+1)\equiv1993\cdot1994 modulo 4000,4000, or equivalently when j(j+1)2042(mod4000).j(j+1)\equiv2042\pmod {4000}. Modulo 125,125, the solutions are j6j\equiv6 and j118,j\equiv118, and modulo 32,32, they are j9j\equiv9 and j22.j\equiv22. Combining these by the Chinese Remainder Theorem gives j118,1993,2006,3881(mod4000).\begin{aligned}j\equiv{}&118,1993,\\&2006,3881\pmod {4000}.\end{aligned} The smallest positive possibility is 118.118.

10.

La fórmula de Euler afirma que, para un poliedro convexo con VV vértices, EE aristas y FF caras, VE+F=2.V-E+F=2. Cierto poliedro convexo tiene 3232 caras, cada una de las cuales es un triángulo o un pentágono. En cada uno de sus VV vértices concurren TT caras triangulares y PP caras pentagonales. ¿Cuál es el valor de 100P+10T+V100P+10T+V?

Euler’s formula states that for a convex polyhedron with VV vertices, EE edges, and FF faces, VE+F=2.V-E+F=2. A particular convex polyhedron has 3232 faces, each of which is either a triangle or a pentagon. At each of its VV vertices, TT triangular faces and PP pentagonal faces meet. What is the value of 100P+10T+V?100P+10T+V?

Nivel de dificultad: 2500
Pista pequeña:

Sea xx el número de caras triangulares y cuenta las incidencias cara-arista y cara-vértice

Let xx be the number of triangular faces and count face-edge and face-vertex incidences

Pista grande:

Usa la fórmula de Euler para expresar xx en términos de VV y luego obtén dos condiciones de divisibilidad para VV

Use Euler’s formula to express xx in terms of VV, then obtain two divisibility conditions on VV

Solución:

Sea xx el número de caras triangulares, de modo que hay 32x32-x pentágonos y E=3x+5(32x)2=80x.E=\frac{3x+5(32-x)}2=80-x. La fórmula de Euler da V+x=50.V+x=50. Al contar las incidencias cara-vértice se obtiene TV=3x=1503V,PV=5(32x)=5V90.\begin{aligned}TV&=3x=150-3V,\\PV&=5(32-x)=5V-90.\end{aligned} Por consiguiente, V(T+3)=150V(T+3)=150 y V(5P)=90.V(5-P)=90. Además, 18V50,18\leq V\leq50, así que el único divisor común de 150150 y 9090 en ese intervalo es V=30.V=30. Entonces T=2T=2 y P=2,P=2, lo que da 100P+10T+V=250.100P+10T+V=250.

Let xx be the number of triangular faces, so there are 32x32-x pentagons and E=3x+5(32x)2=80x.E=\frac{3x+5(32-x)}2=80-x. Euler’s formula gives V+x=50.V+x=50. Counting face-vertex incidences yields TV=3x=1503V,PV=5(32x)=5V90.\begin{aligned}TV&=3x=150-3V,\\PV&=5(32-x)=5V-90.\end{aligned} Hence V(T+3)=150V(T+3)=150 and V(5P)=90.V(5-P)=90. Also 18V50,18\leq V\leq50, so the only common divisor of 150150 and 9090 in that range is V=30.V=30. Then T=2T=2 and P=2,P=2, giving 100P+10T+V=250.100P+10T+V=250.

11.

Alfred y Bonnie juegan por turnos a lanzar una moneda equilibrada. El ganador de cada partida es la primera persona que obtiene cara. Juegan varias partidas con la regla de que el perdedor de una partida lanza primero en la siguiente. Supón que Alfred lanza primero en la primera partida y que la probabilidad de que gane la sexta es mn,\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos coprimos. ¿Cuáles son las tres últimas cifras de m+nm+n?

Alfred and Bonnie play a game in which they take turns tossing a fair coin. The winner of a game is the first person to obtain a head. Alfred and Bonnie play this game several times with the stipulation that the loser of a game goes first in the next game. Suppose that Alfred goes first in the first game, and that the probability that he wins the sixth game is mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. What are the last three digits of m+n?m+n?

Nivel de dificultad: 2370
Pista pequeña:

Calcula la probabilidad de que Alfred gane una partida cuando él lanza primero y cuando Bonnie lanza primero

Compute Alfred’s chance to win a single game when he goes first and when Bonnie goes first

Pista grande:

Si prp_r es la probabilidad de que Alfred gane la partida rr, expresa pr+1p_{r+1} en términos de prp_r

If prp_r is Alfred’s chance to win game rr, express pr+1p_{r+1} in terms of prp_r

Solución:

Alfred gana una partida con probabilidad 23\frac{2}{3} cuando comienza él y con probabilidad 13\frac{1}{3} cuando comienza Bonnie. Como el perdedor comienza la partida siguiente, pr+1=23(1pr)+13pr=2313pr,p1=23.\begin{aligned}p_{r+1}&=\frac23(1-p_r)+\frac13p_r\\&=\frac23-\frac13p_r,\qquad p_1=\frac23.\end{aligned} Por lo tanto, pr12=(13)r16.p_r-\frac12=\frac{(-\frac{1}{3})^{r-1}}{6}. En particular, p6=1211458=364729.p_6=\frac12-\frac1{1458}=\frac{364}{729}. Así, m+n=1093,m+n=1093, cuyas tres últimas cifras son 093.093.

Alfred wins a game with probability 23\frac{2}{3} when he starts and 13\frac{1}{3} when Bonnie starts. Since the loser starts the next game, pr+1=23(1pr)+13pr=2313pr,p1=23.\begin{aligned}p_{r+1}&=\frac23(1-p_r)+\frac13p_r\\&=\frac23-\frac13p_r,\qquad p_1=\frac23.\end{aligned} Thus pr12=(13)r16.p_r-\frac12=\frac{(-\frac{1}{3})^{r-1}}{6}. In particular, p6=1211458=364729.p_6=\frac12-\frac1{1458}=\frac{364}{729}. Therefore m+n=1093,m+n=1093, whose last three digits are 093.093.

12.

Los vértices de ABC\triangle ABC son A=(0,0),A=(0,0), B=(0,420),B=(0,420), y C=(560,0).C=(560,0). Las seis caras de un dado están marcadas con dos AA, dos BB y dos CC. Se elige el punto P1=(k,m)P_1=(k,m) en el interior de ABC,\triangle ABC, y se generan los puntos P2,P_2, P3,P_3, P4,P_4, \ldots lanzando repetidamente el dado y aplicando la regla siguiente: si el dado muestra la marca L,L, donde L{A,B,C},L\in\{A,B,C\}, y PnP_n es el punto obtenido más recientemente, entonces Pn+1P_{n+1} es el punto medio de PnL.\overline{P_nL}. Dado que P7=(14,92),P_7=(14,92), ¿cuál es k+mk+m?

The vertices of ABC\triangle ABC are A=(0,0),A=(0,0), B=(0,420),B=(0,420), and C=(560,0).C=(560,0). The six faces of a die are labeled with two AA’s, two BB’s, and two CC’s. Point P1=(k,m)P_1=(k,m) is chosen in the interior of ABC,\triangle ABC, and points P2,P_2, P3,P_3, P4,P_4, \ldots are generated by rolling the die repeatedly and applying the rule: If the die shows label L,L, where L{A,B,C},L\in\{A,B,C\}, and PnP_n is the most recently obtained point, then Pn+1P_{n+1} is the midpoint of PnL.\overline{P_nL}. Given that P7=(14,92),P_7=(14,92), what is k+m?k+m?

Nivel de dificultad: 2600
Pista pequeña:

Invierte las seis operaciones de punto medio tomando la ecuación de P7P_7 y multiplicándola por 6464

Reverse the six midpoint operations by multiplying the equation for P7P_7 by 6464

Pista grande:

Los seis vértices obtenidos reciben los pesos distintos 1,1, 2,2, 4,4, 8,8, 16,16, y 3232; usa primero la coordenada xx

The six rolled vertices receive the distinct weights 1,1, 2,2, 4,4, 8,8, 16,16, and 3232; use the xx-coordinate first

Solución:

Sean XX y YY las sumas de los pesos 1,1, 2,2, 4,4, 8,8, 16,16, y 3232 asignados a los lanzamientos que dan CC y B,B, respectivamente. Al iterar la regla del punto medio se obtiene 64P7=P1+X(560,0)+Y(0,420).\begin{aligned}64P_7&=P_1+X(560,0)\\&\quad+Y(0,420).\end{aligned} Por consiguiente, k=896560X.k=896-560X. Como P1P_1 es interior, 0<k<560,0<k<560, lo que obliga a que X=1X=1 y k=336.k=336. La condición de estar dentro del triángulo da entonces 0<m<168.0<m<168. Como m=5888420Y,m=5888-420Y, el único entero posible YY es 14,14, lo que da m=8.m=8. Por lo tanto, k+m=344.k+m=344.

Let XX and YY be the sums of the weights 1,1, 2,2, 4,4, 8,8, 16,16, and 3232 assigned to rolls of CC and B,B, respectively. Iterating the midpoint rule gives 64P7=P1+X(560,0)+Y(0,420).\begin{aligned}64P_7&=P_1+X(560,0)\\&\quad+Y(0,420).\end{aligned} Hence k=896560X.k=896-560X. Because P1P_1 is interior, 0<k<560,0<k<560, forcing X=1X=1 and k=336.k=336. The triangle inequality for its coordinates then gives 0<m<168.0<m<168. Since m=5888420Y,m=5888-420Y, the only possible integer YY is 14,14, giving m=8.m=8. Therefore k+m=344.k+m=344.

13.

Jenny y Kenny caminan en la misma dirección, Kenny a 33 pies por segundo y Jenny a 11 pie por segundo, por senderos paralelos separados 200200 pies. Un edificio circular alto de 100100 pies de diámetro está centrado a mitad de camino entre los senderos. En el instante en que el edificio bloquea por primera vez la línea de visión entre Jenny y Kenny, ellos están separados 200200 pies. Sea tt el tiempo, en segundos, que transcurre antes de que puedan volver a verse. Si tt se escribe como fracción en su mínima expresión, ¿cuál es la suma del numerador y el denominador?

Jenny and Kenny are walking in the same direction, Kenny at 33 feet per second and Jenny at 11 foot per second, on parallel paths that are 200200 feet apart. A tall circular building 100100 feet in diameter is centered midway between the paths. At the instant when the building first blocks the line of sight between Jenny and Kenny, they are 200200 feet apart. Let tt be the amount of time, in seconds, before Jenny and Kenny can see each other again. If tt is written as a fraction in lowest terms, what is the sum of the numerator and denominator?

Nivel de dificultad: 2840
Pista pequeña:

Coloca el edificio circular en el origen y los dos senderos sobre y=100y=100 y y=100y=-100

Place the circular building at the origin and the two paths on y=100y=100 and y=100y=-100

Pista grande:

En el primer bloqueo ambos caminantes tienen x=50x=-50; iguala a 5050 la distancia posterior de su recta de unión al origen

At the first blockage both walkers have x=50x=-50; set the later connecting line’s distance from the origin equal to 5050

Solución:

En el primer bloqueo, los caminantes están alineados verticalmente sobre la tangente x=50.x=-50. Después de tt segundos, sus posiciones pueden escribirse como (50+t,100)(-50+t,100) y (50+3t,100).(-50+3t,-100). La distancia del origen a la recta que los une es 10000400t4t2+40000.\frac{|10000-400t|}{\sqrt{4t^2+40000}}. En la segunda tangencia, esta distancia es 50.50. Al elevar al cuadrado y simplificar se obtiene (1004t)2=t2+10000,(100-4t)^2=t^2+10000, por lo que t(15t800)=0.t(15t-800)=0. El tiempo positivo es t=1603,t=\frac{160}{3}, y la suma pedida es 160+3=163.160+3=163.

At first blockage the walkers are vertically aligned on the tangent x=50.x=-50. After tt seconds their positions may be written as (50+t,100)(-50+t,100) and (50+3t,100).(-50+3t,-100). The distance from the origin to their connecting line is 10000400t4t2+40000.\frac{|10000-400t|}{\sqrt{4t^2+40000}}. At the second tangency this equals 50.50. Squaring and simplifying gives (1004t)2=t2+10000,(100-4t)^2=t^2+10000, so t(15t800)=0.t(15t-800)=0. The positive time is t=1603,t=\frac{160}{3}, and the requested sum is 160+3=163.160+3=163.

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.

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.

15.

Sea CH\overline{CH} una altura de ABC.\triangle ABC. Sean RR y SS los puntos donde los círculos inscritos en los triángulos ACHACH y BCHBCH son tangentes a CH.\overline{CH}. Si AB=1995,AB=1995, AC=1994,AC=1994, y BC=1993,BC=1993, entonces RSRS puede expresarse como mn,\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros coprimos. Halla m+n.m+n.

Let CH\overline{CH} be an altitude of ABC.\triangle ABC. Let RR and SS be the points where the circles inscribed in the triangles ACHACH and BCHBCH are tangent to CH.\overline{CH}. If AB=1995,AB=1995, AC=1994,AC=1994, and BC=1993,BC=1993, then RSRS can be expressed as mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime integers. Find m+n.m+n.

Nivel de dificultad: 2560
Pista pequeña:

Expresa la distancia de HH a cada punto de tangencia usando el semiperímetro de su triángulo rectángulo

Express the distance from HH to each tangency point using the semiperimeter of its right triangle

Pista grande:

Halla AHBHAH-BH a partir de las longitudes de los lados sin calcular primero la altura

Find AHBHAH-BH from the side lengths without first computing the altitude

Solución:

Sea h=CH.h=CH. En el triángulo rectángulo ACH,ACH, la longitud de la tangente desde HH hasta su incírculo es AH+hAC2;\frac{AH+h-AC}{2}; en el triángulo BCH,BCH, es BH+hBC2.\frac{BH+h-BC}{2}. Por consiguiente, RS=12AHBHAC+BC.\begin{aligned}RS&=\frac12\left|AH-BH\right.\\&\qquad\left.-AC+BC\right|.\end{aligned} La fórmula de proyección da AHBH=AC2BC2AB=19942199321995=39871995.\begin{aligned}AH-BH&=\frac{AC^2-BC^2}{AB}\\&=\frac{1994^2-1993^2}{1995}\\&=\frac{3987}{1995}.\end{aligned} Como ACBC=1,AC-BC=1, RS=12(398719951)=332665.RS=\frac12\left(\frac{3987}{1995}-1\right)=\frac{332}{665}. Por lo tanto, m+n=332+665=997.m+n=332+665=997.

Let h=CH.h=CH. In right triangle ACH,ACH, the tangent length from HH to its incircle is AH+hAC2;\frac{AH+h-AC}{2}; in triangle BCH,BCH, it is BH+hBC2.\frac{BH+h-BC}{2}. Hence RS=12AHBHAC+BC.\begin{aligned}RS&=\frac12\left|AH-BH\right.\\&\qquad\left.-AC+BC\right|.\end{aligned} The projection formula gives AHBH=AC2BC2AB=19942199321995=39871995.\begin{aligned}AH-BH&=\frac{AC^2-BC^2}{AB}\\&=\frac{1994^2-1993^2}{1995}\\&=\frac{3987}{1995}.\end{aligned} Since ACBC=1,AC-BC=1, RS=12(398719951)=332665.RS=\frac12\left(\frac{3987}{1995}-1\right)=\frac{332}{665}. Thus m+n=332+665=997.m+n=332+665=997.