2004 AIME I Problema 15

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 15 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:conteo recursivodiagrama de árboltrabajar hacia atrás

Nivel de dificultad: 3370

15.

Para todos los enteros positivos x,x, sea f(x)={1if x=1,x/10if x is divisible by 10,x+1otherwise,f(x) = \scriptsize\begin{cases} 1 & \text{if } x = 1, \\ x/10 & \text{if } x \text{ is divisible by } 10, \\ x + 1 & \text{otherwise,} \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,x/10if x is divisible by 10,x+1otherwise,f(x) = \scriptsize\begin{cases} 1 & \text{if } x = 1, \\ 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.

Solución:

Trabaja hacia atrás: f(z)=zf(z') = z para z=10zz' = 10z (siempre) y para z=z1z' = z - 1 (siempre que z1z - 1 no sea múltiplo de 1010 y z11,z - 1 \ne 1, es decir, zz no termine en 11 y z2z \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 23101,2 \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 2j22^{j-2} vértices, de los cuales los múltiplos de 1010, los hijos 10z10z de la columna j1j - 1, suman 2j3.2^{j-3}. Por lo tanto, para 12k19,12 \le k \le 19, la columna kk contiene 2k122^{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 219k2^{19-k} de los potenciales 2182^{18} vértices de la columna 20.20. Por lo tanto m=21829k=12192k12219k=21829827=29(2912)=29509. \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=z1z' = z - 1 (provided z1z - 1 is not a multiple of 1010 and z11,z - 1 \ne 1, i.e. zz does not end in 11 and z2z \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 23101,2 \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 2j22^{j-2} vertices, of which the multiples of 1010 — the children 10z10z of column j1j - 1 — number 2j3.2^{j-3}. Hence for 12k19,12 \le k \le 19, column kk contains 2k122^{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 219k2^{19-k} of the potential 2182^{18} vertices from column 20.20. Therefore m=21829k=12192k12219k=21829827=29(2912)=29509. \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.

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