2003 AIME I Problema 14

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14.

La representación decimal de mn,\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí y m<n,m \lt n, contiene los dígitos 2,5,2, 5, y 11 de forma consecutiva, y en ese orden. Halla el menor valor de nn para el cual esto es posible.

The decimal representation of mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers and m<n,m \lt n, contains the digits 2,5,2, 5, and 11 consecutively, and in that order. Find the smallest value of nn for which this is possible.

Respuesta: 127
Conceptos:decimalEcuación diofánticaacotación a casos límite
Nivel de dificultad: 3270
Solución:

251251 mn=.A251\frac{m}{n} = .A251\ldots AA k1k \ge 1 10kmnA=.25110^k \frac{m}{n} - A = .251\ldots 00 11 n.n. nn mm 2511000mn<2521000,\frac{251}{1000} \le \frac{m}{n} \lt \frac{252}{1000}, 01000m251n<n.0 \le 1000m - 251n \lt n.

Basta con hacer que 32127\frac{32}{127} aparezca inmediatamente después del punto decimal: si ab<uv<cd\frac{a}{b} \lt \frac{u}{v} \lt \frac{c}{d} con bcad=1,bc-ad=1, un bloque de dígitos, entonces es una fracción entre y cuyo denominador reducido es a lo sumo Así que necesitamos el menor que admita un con es decir 2511000<32127<63250=2521000. \frac{251}{1000} \lt \frac{32}{127} \lt \frac{63}{250} = \frac{252}{1000}. v=b(cvdu)+d(buav)b+d, \begin{aligned} v &= b(cv-du)+d(bu-av) \\ &\ge b+d, \end{aligned}

Así, 4321127=14\cdot32-1\cdot127=1 debe caer a menos de 1276332250=1.127\cdot63-32\cdot250=1. por debajo de un múltiplo de 14\frac14 Prueba con 32127\frac{32}{127} entonces 4+127=131,4+127=131, 32127\frac{32}{127} así que para 63250\frac{63}{250} esto queda por debajo de 127+250=377.127+250=377. en (14,63250)\left(\frac14,\frac{63}{250}\right) El requisito 32127,\frac{32}{127}, da 127.127. así que y funcionan: en efecto Una breve comprobación de la misma desigualdad muestra que ningún menor coloca a menos de por encima de un múltiplo de ya que el déficit (o sus análogos para otros residuos) sigue siendo demasiado grande.

El menor valor posible de nn es 127.127.

It suffices to make 251251 appear immediately after the decimal point: if mn=.A251\frac{m}{n} = .A251\ldots with AA a block of k1k \ge 1 digits, then 10kmnA=.25110^k \frac{m}{n} - A = .251\ldots is a fraction between 00 and 11 whose reduced denominator is at most n.n. So we need the smallest nn admitting an mm with 2511000mn<2521000,\frac{251}{1000} \le \frac{m}{n} \lt \frac{252}{1000}, that is 01000m251n<n.0 \le 1000m - 251n \lt n.

The fraction 32127\frac{32}{127} lies in this interval because 2511000<32127<63250=2521000. \frac{251}{1000} \lt \frac{32}{127} \lt \frac{63}{250} = \frac{252}{1000}. It remains to prove that no smaller denominator works. We use the following elementary fact: if ab<uv<cd\frac{a}{b} \lt \frac{u}{v} \lt \frac{c}{d} and bcad=1,bc-ad=1, then v=b(cvdu)+d(buav)b+d, \begin{aligned} v &= b(cv-du)+d(bu-av) \\ &\ge b+d, \end{aligned} because both parenthesized quantities are positive integers.

Now 4321127=14\cdot32-1\cdot127=1 and 1276332250=1.127\cdot63-32\cdot250=1. Therefore every fraction strictly between 14\frac14 and 32127\frac{32}{127} has denominator at least 4+127=131,4+127=131, while every fraction strictly between 32127\frac{32}{127} and 63250\frac{63}{250} has denominator at least 127+250=377.127+250=377. Since our target interval lies inside (14,63250)\left(\frac14,\frac{63}{250}\right) and contains 32127,\frac{32}{127}, no fraction in it has denominator below 127.127.

The smallest possible value of nn is 127.127.

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