2000 AIME I Problema 14

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 14 del 2000 AIME I, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2000 AIME I, o revisar la clave de respuestas.

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

Conceptos:triángulo isóscelesley de los senosidentidad trigonométrica

Nivel de dificultad: 2990

14.

En el triángulo ABC,ABC, se sabe que los ángulos BB y CC son congruentes. Los puntos PP y QQ están sobre AC\overline{AC} y AB,\overline{AB}, respectivamente, de modo que AP=PQ=QB=BC.AP = PQ = QB = BC. El ángulo ACBACB es rr veces mayor que el ángulo APQ,APQ, donde rr es un número real positivo. Halla el mayor entero que no excede 1000r.1000r.

In triangle ABC,ABC, it is given that angles BB and CC are congruent. Points PP and QQ lie on AC\overline{AC} and AB,\overline{AB}, respectively, so that AP=PQ=QB=BC.AP = PQ = QB = BC. Angle ACBACB is rr times as large as angle APQ,APQ, where rr is a positive real number. Find the greatest integer that does not exceed 1000r.1000r.

Solución:

Sea A=α,\angle A = \alpha, y escala de modo que AP=PQ=QB=BC=1.AP = PQ = QB = BC = 1. En el triángulo APQ,APQ, los lados iguales AP=PQAP = PQ dan AQP=A=α,\angle AQP = \angle A = \alpha, así que APQ=1802α\angle APQ = 180^\circ - 2\alpha y, por la ley de senos, AQ=sin2αsinα=2cosα.AQ = \frac{\sin 2\alpha}{\sin \alpha} = 2\cos\alpha. En el triángulo ABC,ABC, B=C=90α2,\angle B = \angle C = 90^\circ - \frac{\alpha}{2}, así que AB=BCsinCsinA=cos(α/2)sinα=12sin(α/2). \begin{aligned} AB &= \frac{BC \sin C}{\sin A} \\ &= \frac{\cos(\alpha/2)}{\sin\alpha} = \frac{1}{2\sin(\alpha/2)}. \end{aligned}

Como AQ+QB=AB,AQ + QB = AB, 2cosα+1=12sin(α/2)4sinα2cosα+2sinα2=1. \begin{aligned} 2\cos\alpha + 1 &= \frac{1}{2\sin(\alpha/2)} \\ &\quad\Longrightarrow\quad 4\sin\tfrac{\alpha}{2}\cos\alpha \\ &\quad {}+ 2\sin\tfrac{\alpha}{2} = 1. \end{aligned} Por la identidad de producto a suma, 4sinα2cosα4\sin\frac{\alpha}{2}\cos\alpha =2sin3α2= 2\sin\frac{3\alpha}{2} 2sinα2,- 2\sin\frac{\alpha}{2}, así que la ecuación se reduce a sin3α2=12.\sin\frac{3\alpha}{2} = \frac{1}{2}. Entonces α=20\alpha = 20^\circ o α=100,\alpha = 100^\circ, pero este último hace que AQ=2cosαAQ = 2\cos\alpha sea negativo, así que α=20.\alpha = 20^\circ.

Ahora ACB=80\angle ACB = 80^\circ y APQ=140,\angle APQ = 140^\circ, así que r=80140=47,r = \frac{80}{140} = \frac{4}{7}, y 1000r=40007=571.\lfloor 1000r \rfloor = \left\lfloor \frac{4000}{7} \right\rfloor = 571.

Let A=α,\angle A = \alpha, and scale so AP=PQ=QB=BC=1.AP = PQ = QB = BC = 1. In triangle APQ,APQ, the equal sides AP=PQAP = PQ give AQP=A=α,\angle AQP = \angle A = \alpha, so APQ=1802α\angle APQ = 180^\circ - 2\alpha and, by the law of sines, AQ=sin2αsinα=2cosα.AQ = \frac{\sin 2\alpha}{\sin \alpha} = 2\cos\alpha. In triangle ABC,ABC, B=C=90α2,\angle B = \angle C = 90^\circ - \frac{\alpha}{2}, so AB=BCsinCsinA=cos(α/2)sinα=12sin(α/2). \begin{aligned} AB &= \frac{BC \sin C}{\sin A} \\ &= \frac{\cos(\alpha/2)}{\sin\alpha} = \frac{1}{2\sin(\alpha/2)}. \end{aligned}

Since AQ+QB=AB,AQ + QB = AB, 2cosα+1=12sin(α/2)4sinα2cosα+2sinα2=1. \begin{aligned} 2\cos\alpha + 1 &= \frac{1}{2\sin(\alpha/2)} \\ &\quad\Longrightarrow\quad 4\sin\tfrac{\alpha}{2}\cos\alpha \\ &\quad {}+ 2\sin\tfrac{\alpha}{2} = 1. \end{aligned} By the product-to-sum identity, 4sinα2cosα4\sin\frac{\alpha}{2}\cos\alpha =2sin3α2= 2\sin\frac{3\alpha}{2} 2sinα2,- 2\sin\frac{\alpha}{2}, so the equation collapses to sin3α2=12.\sin\frac{3\alpha}{2} = \frac{1}{2}. Then α=20\alpha = 20^\circ or α=100,\alpha = 100^\circ, but the latter makes AQ=2cosαAQ = 2\cos\alpha negative, so α=20.\alpha = 20^\circ.

Now ACB=80\angle ACB = 80^\circ and APQ=140,\angle APQ = 140^\circ, so r=80140=47,r = \frac{80}{140} = \frac{4}{7}, and 1000r=40007=571.\lfloor 1000r \rfloor = \left\lfloor \frac{4000}{7} \right\rfloor = 571.

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