2008 AIME II Problema 13

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 13 del 2008 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2008 AIME II, o revisar la clave de respuestas.

Todos los problemas se usan con el permiso legal oficial de la Mathematical Association of America (MAA).

Conceptos:número complejotransformaciónsector circularsimetría

Nivel de dificultad: 3370

13.

Un hexágono regular con centro en el origen en el plano complejo tiene pares de lados opuestos separados una unidad. Un par de lados es paralelo al eje imaginario. Sea RR la región fuera del hexágono, y sea S={1zzR}.S = \left\{\tfrac{1}{z} \mid z \in R\right\}. Entonces el área de SS tiene la forma aπ+b,a\pi + \sqrt{b}, donde aa y bb son enteros positivos. Halla a+b.a + b.

A regular hexagon with center at the origin in the complex plane has opposite pairs of sides one unit apart. One pair of sides is parallel to the imaginary axis. Let RR be the region outside the hexagon, and let S={1zzR}.S = \left\{\tfrac{1}{z} \mid z \in R\right\}. Then the area of SS has the form aπ+b,a\pi + \sqrt{b}, where aa and bb are positive integers. Find a+b.a + b.

Solución:

Los lados del hexágono están a distancia 12\frac{1}{2} del origen, con un lado sobre la recta Rez=12,\mathrm{Re}\,z = \frac{1}{2}, así que RR es la unión de los seis semiplanos obtenidos al rotar Rez>12\mathrm{Re}\,z \gt \frac{1}{2} por múltiplos de 60.60^\circ. Si w=u+vi=1z,w = u + vi = \frac{1}{z}, entonces Rez=Re1w=uu2+v2>12\mathrm{Re}\,z = \mathrm{Re}\,\frac{1}{w} = \frac{u}{u^2 + v^2} \gt \frac{1}{2} es equivalente a u2+v2<2u,u^2 + v^2 \lt 2u, es decir, (u1)2+v2<1.(u - 1)^2 + v^2 \lt 1. Así que cada semiplano se mapea sobre un disco unitario abierto, y SS es la unión de seis discos unitarios centrados en las raíces sextas de la unidad.

Divide el plano en seis cuñas de 6060^\circ mediante los rayos con ángulos 30+60k;30^\circ + 60^\circ k; por simetría, dentro de cada cuña SS coincide con el disco cuyo centro está en esa cuña. Los rayos en ±30\pm 30^\circ cortan al círculo w1=1|w - 1| = 1 en (32,±32),\left(\frac{3}{2}, \pm\frac{\sqrt{3}}{2}\right), así que la parte de SS en esa cuña consta de dos triángulos con vértices en 0,0, el centro 1,1, y uno de estos puntos, cada uno isósceles con dos lados 11 y ángulo en el vértice 120,120^\circ, de área 34\frac{\sqrt{3}}{4}, junto con el sector de 120120^\circ del disco entre ellos, de área π3.\frac{\pi}{3}.

Cada cuña contribuye por lo tanto π3+32,\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}, y el área total es 6(π3+32)=2π+33=2π+27. \begin{aligned} 6\left(\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}\right) &= 2\pi + 3\sqrt{3} \\ &= 2\pi + \sqrt{27}. \end{aligned} Así a=2,a = 2, b=27,b = 27, y a+b=29.a + b = 29.

The hexagon's sides lie at distance 12\frac{1}{2} from the origin, with one side on the line Rez=12,\mathrm{Re}\,z = \frac{1}{2}, so RR is the union of the six half-planes obtained by rotating Rez>12\mathrm{Re}\,z \gt \frac{1}{2} by multiples of 60.60^\circ. If w=u+vi=1z,w = u + vi = \frac{1}{z}, then Rez=Re1w=uu2+v2>12\mathrm{Re}\,z = \mathrm{Re}\,\frac{1}{w} = \frac{u}{u^2 + v^2} \gt \frac{1}{2} is equivalent to u2+v2<2u,u^2 + v^2 \lt 2u, i.e. (u1)2+v2<1.(u - 1)^2 + v^2 \lt 1. So each half-plane maps onto an open unit disk, and SS is the union of six unit disks centered at the sixth roots of unity.

Cut the plane into six 6060^\circ wedges by the rays at angles 30+60k;30^\circ + 60^\circ k; by symmetry, within each wedge SS coincides with the disk whose center lies in that wedge. The rays at ±30\pm 30^\circ meet the circle w1=1|w - 1| = 1 at (32,±32),\left(\frac{3}{2}, \pm\frac{\sqrt{3}}{2}\right), so the piece of SS in that wedge consists of two triangles with vertices at 0,0, the center 1,1, and one of these points — each isosceles with two sides 11 and apex angle 120,120^\circ, area 34\frac{\sqrt{3}}{4} — together with the 120120^\circ sector of the disk between them, area π3.\frac{\pi}{3}.

Each wedge therefore contributes π3+32,\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}, and the total area is 6(π3+32)=2π+33=2π+27. \begin{aligned} 6\left(\frac{\pi}{3} + \frac{\sqrt{3}}{2}\right) &= 2\pi + 3\sqrt{3} \\ &= 2\pi + \sqrt{27}. \end{aligned} Thus a=2,a = 2, b=27,b = 27, and a+b=29.a + b = 29.

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