Question

Para cada permutación $a_1,$ $a_2,$ $a_3,$ $\ldots,$ $a_{10}$ de los enteros $1,$ $2,$ $3,$ $\ldots,$ $10,$ forma la suma $\begin{gathered}|a_1-a_2|+|a_3-a_4|\\+|a_5-a_6|+|a_7-a_8|\\+|a_9-a_{10}|.\end{gathered}$ El valor promedio de todas estas sumas puede escribirse como $\frac{p}{q},$ donde $p$ y $q$ son enteros positivos coprimos. Halla $p+q.$

For each permutation $a_1,$ $a_2,$ $a_3,$ $\ldots,$ $a_{10}$ of the integers $1,$ $2,$ $3,$ $\ldots,$ $10,$ form the sum $\begin{gathered}|a_1-a_2|+|a_3-a_4|\\+|a_5-a_6|+|a_7-a_8|\\+|a_9-a_{10}|.\end{gathered}$ The average value of all such sums can be written in the form $\frac{p}{q},$ where $p$ and $q$ are relatively prime positive integers. Find $p+q.$

Respuesta

Respuesta: 58

Conceptos:valor esperado linearity of expectation conteo de pares

Nivel de dificultad: 1850

Pista pequeña:

Cada una de las cinco diferencias absolutas tiene el mismo promedio

Each of the five absolute differences has the same average

Pista grande:

Para un par no ordenado aleatorio, la diferencia $d$ aparece $10-d$ veces

For a random unordered pair, difference $d$ occurs $10-d$ times

Solución:

Cada diferencia emparejada tiene el mismo valor esperado que la diferencia de un par no ordenado elegido uniformemente de $1,\ldots,10.$ Por lo tanto, $\begin{aligned}\mathbb E|a_1-a_2|&=\frac{\sum_{d=1}^9d(10-d)}{\binom{10}{2}}\\&=\frac{10\sum_{d=1}^9d}{45}\\&\quad-\frac{\sum_{d=1}^9d^2}{45}\\&=\frac{450-285}{45}=\frac{11}{3}.\end{aligned}$ Por linealidad de la esperanza, el promedio de la suma de cinco términos es $\frac{5\cdot11}{3}=\frac{55}{3}.$ Así, $p+q=58.$

Each paired difference has the same expected value as the difference of a uniformly selected unordered pair from $1,\ldots,10.$ Therefore $\begin{aligned}\mathbb E|a_1-a_2|&=\frac{\sum_{d=1}^9d(10-d)}{\binom{10}{2}}\\&=\frac{10\sum_{d=1}^9d}{45}\\&\quad-\frac{\sum_{d=1}^9d^2}{45}\\&=\frac{450-285}{45}=\frac{11}{3}.\end{aligned}$ By linearity of expectation, the average of the five-term sum is $\frac{5\cdot11}{3}=\frac{55}{3}.$ Thus $p+q=58.$

1996 AIME Problema 12

Respuesta: 58

Nivel de dificultad: 1850

Pista pequeña:

Pista grande:

Solución:

El Problema 12 en otros años