1997 AIME Problema 15

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15.

Los lados del rectángulo ABCDABCD tienen longitudes 1010 y 11.11. Se dibuja un triángulo equilátero de modo que ningún punto del triángulo quede fuera de ABCD.ABCD. El área máxima posible de tal triángulo se puede escribir en la forma pqr,p\sqrt{q} - r, donde p,p, q,q, y rr son enteros positivos, y qq no es divisible por el cuadrado de ningún número primo. Halla p+q+r.p + q + r.

The sides of rectangle ABCDABCD have lengths 1010 and 11.11. An equilateral triangle is drawn so that no point of the triangle lies outside ABCD.ABCD. The maximum possible area of such a triangle can be written in the form pqr,p\sqrt{q} - r, where p,p, q,q, and rr are positive integers, and qq is not divisible by the square of any prime number. Find p+q+r.p + q + r.

Respuesta: 554
Conceptos:triángulo equiláterotrigonometríaoptimización
Nivel de dificultad: 3160
Solución:

Coloca el rectángulo con esquinas 0θ300\le\theta\le30^\circ 1111 ss scosθs\cos\theta Un triángulo equilátero maximal se puede agrandar a menos que quede sujeto por el rectángulo, y la posición extrema tiene un vértice en una esquina, digamos el origen, con los otros dos vértices ssin(θ+60),s\sin(\theta+60^\circ), y θ\theta tocando los lados opuestos y smin(11cosθ,10sin(θ+60)). s\le\min\left(\frac{11}{\cos\theta}, \frac{10}{\sin(\theta+60^\circ)}\right). scosθ=11,ssin(θ+60)=10. \begin{aligned} s\cos\theta &= 11, \\ s\sin(\theta + 60^\circ) &= 10. \end{aligned}

Dividiendo, 11sin(θ+60)=10cosθ,11\sin(\theta + 60^\circ) = 10\cos\theta, y al desarrollar el lado izquierdo se obtiene 112sinθ+1132cosθ=10cosθ,\frac{11}{2}\sin\theta + \frac{11\sqrt{3}}{2}\cos\theta = 10\cos\theta, así que tanθ=2011311\tan\theta = \frac{20 - 11\sqrt{3}}{11} (cerca de 4.9,4.9^\circ, una inclinación válida). Entonces s2=121cos2θ=121(1+tan2θ)=121+(20113)2=8844403. \begin{aligned} s^2 &= \frac{121}{\cos^2\theta} \\ &= 121\left(1 + \tan^2\theta\right) \\ &= 121 + \left(20 - 11\sqrt{3}\right)^2 \\ &= 884 - 440\sqrt{3}. \end{aligned}

El área es 34s2=34(8844403)\frac{\sqrt{3}}{4}s^2 = \frac{\sqrt{3}}{4}\left(884 - 440\sqrt{3}\right) =221333052.8,= 221\sqrt{3} - 330 \approx 52.8, lo que en efecto supera al triángulo no inclinado de lado 10.10. Por lo tanto p+q+rp + q + r =221+3+330=554.= 221 + 3 + 330 = 554.

By reflecting or rotating the configuration, take one side of the equilateral triangle to make an angle 0θ300\le\theta\le30^\circ with the length-1111 side of the rectangle. A triangle of side ss in this orientation has horizontal and vertical spans scosθs\cos\theta and ssin(θ+60),s\sin(\theta+60^\circ), respectively. Hence smin(11cosθ,10sin(θ+60)). s\le\min\left(\frac{11}{\cos\theta}, \frac{10}{\sin(\theta+60^\circ)}\right). The first bound increases with θ\theta and the second decreases, so their minimum is largest when they are equal. This bound is attainable by putting one vertex at a corner and the other two on the far sides, giving scosθ=11,ssin(θ+60)=10. \begin{aligned} s\cos\theta &= 11, \\ s\sin(\theta + 60^\circ) &= 10. \end{aligned}

Dividing, 11sin(θ+60)=10cosθ,11\sin(\theta + 60^\circ) = 10\cos\theta, and expanding the left side gives 112sinθ+1132cosθ=10cosθ,\frac{11}{2}\sin\theta + \frac{11\sqrt{3}}{2}\cos\theta = 10\cos\theta, so tanθ=2011311\tan\theta = \frac{20 - 11\sqrt{3}}{11} (about 4.9,4.9^\circ, a legal tilt). Then s2=121cos2θ=121(1+tan2θ)=121+(20113)2=8844403. \begin{aligned} s^2 &= \frac{121}{\cos^2\theta} \\ &= 121\left(1 + \tan^2\theta\right) \\ &= 121 + \left(20 - 11\sqrt{3}\right)^2 \\ &= 884 - 440\sqrt{3}. \end{aligned}

The area is 34s2=34(8844403)\frac{\sqrt{3}}{4}s^2 = \frac{\sqrt{3}}{4}\left(884 - 440\sqrt{3}\right) =221333052.8,= 221\sqrt{3} - 330 \approx 52.8, which indeed beats the untilted triangle of side 10.10. Thus p+q+rp + q + r =221+3+330=554.= 221 + 3 + 330 = 554.

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