2004 AIME I Problema 13

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 13 del 2004 AIME I, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2004 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:raíces de la unidadsucesión geométricafactorización

Nivel de dificultad: 3060

13.

El polinomio P(x)=(1+x+x2++x17)2x17 \begin{aligned} P(x) &= \small (1 + x + x^2 + \cdots + x^{17})^2 \\ &\quad {}- x^{17} \end{aligned} tiene 3434 ceros complejos de la forma zkz_k =rk[cos(2παk)+isin(2παk)],= r_k[\cos(2\pi\alpha_k) + i\sin(2\pi\alpha_k)], k=1,2,3,,34,k = 1, 2, 3, \ldots, 34, con 0<α1α2α30 \lt \alpha_1 \le \alpha_2 \le \alpha_3 α34<1\le \cdots \le \alpha_{34} \lt 1 y rk>0.r_k \gt 0. Dado que α1+α2+α3+α4+α5=m/n,\alpha_1 + \alpha_2 + \alpha_3 + \alpha_4 + \alpha_5 = m/n, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí, halla m+n.m + n.

The polynomial P(x)=(1+x+x2++x17)2x17 \begin{aligned} P(x) &= \small (1 + x + x^2 + \cdots + x^{17})^2 \\ &\quad {}- x^{17} \end{aligned} has 3434 complex zeros of the form zkz_k =rk[cos(2παk)+isin(2παk)],= r_k[\cos(2\pi\alpha_k) + i\sin(2\pi\alpha_k)], k=1,2,3,,34,k = 1, 2, 3, \ldots, 34, with 0<α1α2α30 \lt \alpha_1 \le \alpha_2 \le \alpha_3 α34<1\le \cdots \le \alpha_{34} \lt 1 and rk>0.r_k \gt 0. Given that α1+α2+α3+α4+α5=m/n,\alpha_1 + \alpha_2 + \alpha_3 + \alpha_4 + \alpha_5 = m/n, where mm and nn are relatively prime positive integers, find m+n.m + n.

Solución:

Para x1,x \ne 1, escribe 1+x++x17=x181x1,1 + x + \cdots + x^{17} = \frac{x^{18} - 1}{x - 1}, así que (x1)2P(x)=(x181)2x17(x1)2=x36x19x17+1=(x191)(x171). \begin{aligned} \scriptsize (x - 1)^2 P(x) &= (x^{18} - 1)^2 \\ &\quad {}- x^{17}(x - 1)^2 \\ &= x^{36} - x^{19} - x^{17} + 1 \\ &= (x^{19} - 1)(x^{17} - 1). \end{aligned} Por lo tanto los ceros de PP son los 3434 números complejos distintos de 11 que satisfacen x17=1x^{17} = 1 o x19=1;x^{19} = 1; todos están en la circunferencia unidad, con ángulos α=k17\alpha = \frac{k}{17} (k=1,,16)(k = 1, \ldots, 16) y α=k19\alpha = \frac{k}{19} (k=1,,18).(k = 1, \ldots, 18).

Los cinco menores de estos ángulos son 119<117<219<217<319,\frac{1}{19} \lt \frac{1}{17} \lt \frac{2}{19} \lt \frac{2}{17} \lt \frac{3}{19}, cuya suma es 619+317=102+57323=159323.\frac{6}{19} + \frac{3}{17} = \frac{102 + 57}{323} = \frac{159}{323}. Como 159=353159 = 3 \cdot 53 y 323=1719,323 = 17 \cdot 19, esto está en su mínima expresión, y m+n=159+323=482.m + n = 159 + 323 = 482.

For x1,x \ne 1, write 1+x++x17=x181x1,1 + x + \cdots + x^{17} = \frac{x^{18} - 1}{x - 1}, so (x1)2P(x)=(x181)2x17(x1)2=x36x19x17+1=(x191)(x171). \begin{aligned} \scriptsize (x - 1)^2 P(x) &= (x^{18} - 1)^2 \\ &\quad {}- x^{17}(x - 1)^2 \\ &= x^{36} - x^{19} - x^{17} + 1 \\ &= (x^{19} - 1)(x^{17} - 1). \end{aligned} Hence the zeros of PP are the 3434 complex numbers other than 11 satisfying x17=1x^{17} = 1 or x19=1;x^{19} = 1; all lie on the unit circle, with angles α=k17\alpha = \frac{k}{17} (k=1,,16)(k = 1, \ldots, 16) and α=k19\alpha = \frac{k}{19} (k=1,,18).(k = 1, \ldots, 18).

The five smallest of these angles are 119<117<219<217<319,\frac{1}{19} \lt \frac{1}{17} \lt \frac{2}{19} \lt \frac{2}{17} \lt \frac{3}{19}, whose sum is 619+317=102+57323=159323.\frac{6}{19} + \frac{3}{17} = \frac{102 + 57}{323} = \frac{159}{323}. Since 159=353159 = 3 \cdot 53 and 323=1719,323 = 17 \cdot 19, this is in lowest terms, and m+n=159+323=482.m + n = 159 + 323 = 482.

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