2004 AIME I Problema 15

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15.

Para todos los enteros positivos x,x, sea f(x)={1si x=1,x10si x es divisible por 10,x+1en otro caso,f(x) = \scriptsize\begin{cases} 1 & \text{si } x = 1, \\ \frac{x}{10} & \text{si } x \text{ es divisible por } 10, \\ x + 1 & \text{en otro caso,} \end{cases} y define una sucesión de la siguiente manera: x1=xx_1 = x y xn+1=f(xn)x_{n+1} = f(x_n) para todos los enteros positivos n.n. Sea d(x)d(x) el menor nn tal que xn=1.x_n = 1. (Por ejemplo, d(100)=3d(100) = 3 y d(87)=7.d(87) = 7.) Sea mm el número de enteros positivos xx tales que d(x)=20.d(x) = 20. Halla la suma de los distintos factores primos de m.m.
For all positive integers x,x, let f(x)={1if x=1,x10if x is divisible by 10,x+1otherwise,f(x) = \scriptsize\begin{cases} 1 & \text{if } x = 1, \\ \frac{x}{10} & \text{if } x \text{ is divisible by } 10, \\ x + 1 & \text{otherwise,} \end{cases} and define a sequence as follows: x1=xx_1 = x and xn+1=f(xn)x_{n+1} = f(x_n) for all positive integers n.n. Let d(x)d(x) be the smallest nn such that xn=1.x_n = 1. (For example, d(100)=3d(100) = 3 and d(87)=7.d(87) = 7.) Let mm be the number of positive integers xx such that d(x)=20.d(x) = 20. Find the sum of the distinct prime factors of m.m.
Respuesta: 511
Conceptos:conteo recursivodiagrama de árboltrabajar hacia atrás
Nivel de dificultad: 3370
Pista pequeña:
Trabaja hacia atrás desde 1:1: cada zz tiene preimágenes 10z,10z, y z−1z - 1 salvo que zz termine en 11 o z=2z = 2
Work backwards from 1:1: each zz has preimages 10z,10z, and z−1z - 1 unless zz ends in 11 or z=2z = 2
Pista grande:
La columna 2020 del árbol de preimágenes tendría 2182^{18} números si cada vértice tuviera dos hijos; resta 219−k2^{19-k} por cada vértice con un solo hijo en la columna kk
Column 2020 of the preimage tree would have 2182^{18} numbers if every vertex had two children; subtract 219−k2^{19-k} for each one-child vertex in column kk
Solución:
Trabaja hacia atrás: f(z′)=zf(z') = z para z′=10zz' = 10z (siempre) y para z′=z−1z' = z - 1 (siempre que z−1z - 1 no sea múltiplo de 1010 y z−1≠1,z - 1 \ne 1, es decir, zz no termine en 11 y z≠2z \ne 2). Así que los enteros con d(x)=nd(x) = n forman la columna nn de un árbol con raíz en 1:1: las columnas empiezan {1},\{1\}, {10},\{10\}, {9,100},\{9, 100\}, {8,90,99,1000},\{8, 90, 99, 1000\}, y cada vértice tiene dos hijos excepto 22 y los vértices que terminan en 1,1, que tienen solo el hijo 10z.10z.
Localiza esos vértices con un solo hijo. Como 2→3→⋯→10→1,2 \to 3 \to \cdots \to 10 \to 1, el vértice 22 está en la columna 10.10. Un vértice que termina en 11 se alcanza restando 11 nueve veces desde un vértice que termina en 0,0, así que tales vértices están 99 columnas después de los múltiplos de 1010 en el árbol. Las columnas 22 a 1010 se duplican perfectamente (no aparecen vértices con un solo hijo tan pronto), así que la columna jj tiene 2j−22^{j-2} vértices, de los cuales los múltiplos de 1010, los hijos 10z10z de la columna j−1j - 1, suman 2j−3.2^{j-3}. Por lo tanto, para 12≤k≤19,12 \le k \le 19, la columna kk contiene 2k−122^{k-12} vértices que terminan en 11 (la columna 1111 no tiene ninguno, porque el múltiplo de 1010 en la columna 22 es 1010 mismo, cuyo descendiente 11 está excluido, y esa exclusión es exactamente el hijo faltante de 22).
Un vértice con un solo hijo en la columna kk quita 219−k2^{19-k} de los potenciales 2182^{18} vértices de la columna 20.20. Por lo tanto m=218−29−∑k=12192k−12⋅219−k=218−29−8⋅27=29(29−1−2)=29⋅509. \begin{aligned} m &= 2^{18} - 2^{9} \\ &\quad {}- \sum_{k=12}^{19} 2^{k-12} \cdot 2^{19-k} \\ &= 2^{18} - 2^9 - 8 \cdot 2^7 \\ &= 2^9(2^9 - 1 - 2) \\ &= 2^9 \cdot 509. \end{aligned} Como 509509 es primo, la suma de los distintos factores primos de mm es 2+509=511.2 + 509 = 511.
Work backwards: f(z′)=zf(z') = z for z′=10zz' = 10z (always) and for z′=z−1z' = z - 1 (provided z−1z - 1 is not a multiple of 1010 and z−1≠1,z - 1 \ne 1, i.e. zz does not end in 11 and z≠2z \ne 2). So the integers with d(x)=nd(x) = n form column nn of a tree rooted at 1:1: the columns begin {1},\{1\}, {10},\{10\}, {9,100},\{9, 100\}, {8,90,99,1000},\{8, 90, 99, 1000\}, and every vertex has two children except 22 and the vertices ending in 1,1, which have only the child 10z.10z.
Locate those one-child vertices. Since 2→3→⋯→10→1,2 \to 3 \to \cdots \to 10 \to 1, the vertex 22 sits in column 10.10. A vertex ending in 11 is reached by subtracting 11 nine times from a vertex ending in 0,0, so such vertices sit 99 columns after the multiples of 1010 in the tree. Columns 22 through 1010 double perfectly (no one-child vertices occur that early), so column jj has 2j−22^{j-2} vertices, of which the multiples of 1010 — the children 10z10z of column j−1j - 1 — number 2j−3.2^{j-3}. Hence for 12≤k≤19,12 \le k \le 19, column kk contains 2k−122^{k-12} vertices ending in 11 (column 1111 has none, because the multiple of 1010 in column 22 is 1010 itself, whose descendant 11 is excluded — that exclusion is exactly the missing child of 22).
A one-child vertex in column kk removes 219−k2^{19-k} of the potential 2182^{18} vertices from column 20.20. Therefore m=218−29−∑k=12192k−12⋅219−k=218−29−8⋅27=29(29−1−2)=29⋅509. \begin{aligned} m &= 2^{18} - 2^{9} \\ &\quad {}- \sum_{k=12}^{19} 2^{k-12} \cdot 2^{19-k} \\ &= 2^{18} - 2^9 - 8 \cdot 2^7 \\ &= 2^9(2^9 - 1 - 2) \\ &= 2^9 \cdot 509. \end{aligned} Since 509509 is prime, the sum of the distinct prime factors of mm is 2+509=511.2 + 509 = 511.
Problema 14#14
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