Question

Halla el entero positivo $n$ tal que $\begin{aligned} &\arctan\frac{1}{3} + \arctan\frac{1}{4} \\ &\quad {}+ \arctan\frac{1}{5} + \arctan\frac{1}{n} = \frac{\pi}{4}. \end{aligned}$

Find the positive integer $n$ such that $\begin{aligned} &\arctan\frac{1}{3} + \arctan\frac{1}{4} \\ &\quad {}+ \arctan\frac{1}{5} + \arctan\frac{1}{n} = \frac{\pi}{4}. \end{aligned}$

Respuesta

Respuesta: 47

Conceptos:trigonometría identidad trigonométrica

Nivel de dificultad: 2360

Pista pequeña:

Combina dos términos a la vez usando $\arctan x + \arctan y$ $= \arctan\frac{x + y}{1 - xy}$ (válido aquí porque todos los productos $xy$ son pequeños)

Combine two terms at a time using $\arctan x + \arctan y$ $= \arctan\frac{x + y}{1 - xy}$ (valid here since all products $xy$ are small)

Pista grande:

Los tres primeros arcotangentes suman $\arctan\frac{23}{24};$ el último término debe completarlo hasta $\arctan 1$

The first three arctangents sum to $\arctan\frac{23}{24};$ the last term must top it up to $\arctan 1$

Solución:

Para $x, y$ positivos con $xy \lt 1,$ la fórmula de adición de la tangente da $\arctan x + \arctan y$ $= \arctan\frac{x + y}{1 - xy}.$ Aplicándola dos veces: $\begin{aligned} &\arctan\frac{1}{3} + \arctan\frac{1}{4} \\ &= \arctan\frac{\frac{1}{3} + \frac{1}{4}}{1 - \frac{1}{12}} \\ &= \arctan\frac{7}{11}, \\ &\arctan\frac{7}{11} + \arctan\frac{1}{5} \\ &= \arctan\frac{\frac{7}{11} + \frac{1}{5}}{1 - \frac{7}{55}} \\ &= \arctan\frac{23}{24}. \end{aligned}$

La ecuación se convierte en $\arctan\frac{23}{24}$ $+ \arctan\frac{1}{n} = \arctan 1,$ así que $\frac{\frac{23}{24} + \frac{1}{n}}{1 - \frac{23}{24n}} = 1.$ Despejando denominadores, $23n + 24 = 24n - 23,$ lo que da $n = 47.$

For positive $x, y$ with $xy \lt 1,$ the tangent addition formula gives $\arctan x + \arctan y$ $= \arctan\frac{x + y}{1 - xy}.$ Applying it twice: $\begin{aligned} &\arctan\frac{1}{3} + \arctan\frac{1}{4} \\ &= \arctan\frac{\frac{1}{3} + \frac{1}{4}}{1 - \frac{1}{12}} \\ &= \arctan\frac{7}{11}, \\ &\arctan\frac{7}{11} + \arctan\frac{1}{5} \\ &= \arctan\frac{\frac{7}{11} + \frac{1}{5}}{1 - \frac{7}{55}} \\ &= \arctan\frac{23}{24}. \end{aligned}$

The equation becomes $\arctan\frac{23}{24}$ $+ \arctan\frac{1}{n} = \arctan 1,$ so $\frac{\frac{23}{24} + \frac{1}{n}}{1 - \frac{23}{24n}} = 1.$ Clearing denominators, $23n + 24 = 24n - 23,$ giving $n = 47.$

2008 AIME I Problema 8

Respuesta: 47

Nivel de dificultad: 2360

Pista pequeña:

Pista grande:

Solución:

El Problema 8 en otros años