1999 AIME Problema 11

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11.

Dado que ∑k=135sin⁡5k=tan⁡mn,\sum_{k=1}^{35} \sin 5k = \tan \frac{m}{n}, donde los ángulos se miden en grados, y mm y nn son enteros positivos primos entre sí que satisfacen mn<90,\frac{m}{n} \lt 90, halla m+n.m + n.
Given that ∑k=135sin⁡5k=tan⁡mn,\sum_{k=1}^{35} \sin 5k = \tan \frac{m}{n}, where angles are measured in degrees, and mm and nn are relatively prime positive integers that satisfy mn<90,\frac{m}{n} \lt 90, find m+n.m + n.
Respuesta: 177
Conceptos:identidad trigonométricatelescópica
Nivel de dificultad: 2560
Pista pequeña:
Multiplica la suma por 2sin⁡2.5∘2 \sin 2.5^\circ y usa 2sin⁡αsin⁡β2 \sin\alpha \sin\beta =cos⁡(α−β)= \cos(\alpha - \beta) −cos⁡(α+β)- \cos(\alpha + \beta) para telescopar
Multiply the sum by 2sin⁡2.5∘2 \sin 2.5^\circ and use 2sin⁡αsin⁡β2 \sin\alpha \sin\beta =cos⁡(α−β)= \cos(\alpha - \beta) −cos⁡(α+β)- \cos(\alpha + \beta) to telescope
Pista grande:
Los dos términos que sobreviven se combinan porque cos⁡(180∘−θ)=−cos⁡θ;\cos(180^\circ - \theta) = -\cos\theta; termina con cot⁡θ=tan⁡(90∘−θ)\cot\theta = \tan(90^\circ - \theta)
The two surviving terms combine because cos⁡(180∘−θ)=−cos⁡θ;\cos(180^\circ - \theta) = -\cos\theta; finish with cot⁡θ=tan⁡(90∘−θ)\cot\theta = \tan(90^\circ - \theta)
Solución:
Multiplica la suma por 2sin⁡2.5∘2 \sin 2.5^\circ y aplica 2sin⁡5k∘sin⁡2.5∘2 \sin 5k^\circ \sin 2.5^\circ =cos⁡(5k−2.5)∘= \cos(5k - 2.5)^\circ −cos⁡(5k+2.5)∘,- \cos(5k + 2.5)^\circ, de modo que la suma se telescopa: 2sin⁡2.5∘∑k=135sin⁡5k∘=cos⁡2.5∘−cos⁡177.5∘=2cos⁡2.5∘. \begin{aligned} &2 \sin 2.5^\circ \sum_{k=1}^{35} \sin 5k^\circ \\ &= \cos 2.5^\circ - \cos 177.5^\circ \\ &= 2\cos 2.5^\circ. \end{aligned}
Por lo tanto la suma es igual a cos⁡2.5∘sin⁡2.5∘\frac{\cos 2.5^\circ}{\sin 2.5^\circ} =cot⁡2.5∘= \cot 2.5^\circ =tan⁡87.5∘= \tan 87.5^\circ =tan⁡1752∘.= \tan \frac{175}{2}^\circ. Como gcd⁡(175,2)=1\gcd(175, 2) = 1 y 1752<90,\frac{175}{2} \lt 90, obtenemos m+n=175+2=177.m + n = 175 + 2 = 177.
Multiply the sum by 2sin⁡2.5∘2 \sin 2.5^\circ and apply 2sin⁡5k∘sin⁡2.5∘2 \sin 5k^\circ \sin 2.5^\circ =cos⁡(5k−2.5)∘= \cos(5k - 2.5)^\circ −cos⁡(5k+2.5)∘,- \cos(5k + 2.5)^\circ, so the sum telescopes: 2sin⁡2.5∘∑k=135sin⁡5k∘=cos⁡2.5∘−cos⁡177.5∘=2cos⁡2.5∘. \begin{aligned} &2 \sin 2.5^\circ \sum_{k=1}^{35} \sin 5k^\circ \\ &= \cos 2.5^\circ - \cos 177.5^\circ \\ &= 2\cos 2.5^\circ. \end{aligned}
Hence the sum equals cos⁡2.5∘sin⁡2.5∘\frac{\cos 2.5^\circ}{\sin 2.5^\circ} =cot⁡2.5∘= \cot 2.5^\circ =tan⁡87.5∘= \tan 87.5^\circ =tan⁡1752∘.= \tan \frac{175}{2}^\circ. Since gcd⁡(175,2)=1\gcd(175, 2) = 1 and 1752<90,\frac{175}{2} \lt 90, we get m+n=175+2=177.m + n = 175 + 2 = 177.
Problema 10#10
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