2009 AIME II Problema 14

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 14 del 2009 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2009 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:recursiónidentidad trigonométricasustitución

Nivel de dificultad: 3160

14.

La sucesión (an)(a_n) satisface a0=0a_0 = 0 y an+1=85an+654nan2a_{n+1} = \frac{8}{5}a_n + \frac{6}{5}\sqrt{4^n - a_n^2} para n0.n \ge 0. Halla el mayor entero menor o igual que a10.a_{10}.

The sequence (an)(a_n) satisfies a0=0a_0 = 0 and an+1=85an+654nan2a_{n+1} = \frac{8}{5}a_n + \frac{6}{5}\sqrt{4^n - a_n^2} for n0.n \ge 0. Find the greatest integer less than or equal to a10.a_{10}.

Solución:

Escribe an=2nsinθna_n = 2^n \sin\theta_n con θ0=0,\theta_0 = 0, así que 4nan2=2ncosθn.\sqrt{4^n - a_n^2} = 2^n\,|\cos\theta_n|. Sea θ=arcsin35,\theta = \arcsin\frac{3}{5}, de modo que cosθ=45.\cos\theta = \frac{4}{5}. La recursión se convierte en an+1=2n+1(cosθsinθn+sinθcosθn)=2n+1sin(θn±θ), \begin{aligned} &a_{n+1} \\ &= 2^{n+1} \\ &\quad {}\cdot \left(\cos\theta \sin\theta_n + \sin\theta\,|\cos\theta_n|\right) \\ &= 2^{n+1}\sin(\theta_n \pm \theta), \end{aligned} con el signo más cuando cosθn0\cos\theta_n \ge 0 y el signo menos cuando cosθn<0.\cos\theta_n \lt 0.

Como 12<35<22,\frac{1}{2} \lt \frac{3}{5} \lt \frac{\sqrt{2}}{2}, tenemos 30<θ<45.30^\circ \lt \theta \lt 45^\circ. Los ángulos θ,\theta, 2θ2\theta tienen coseno positivo, así que la sucesión de ángulos avanza 0,θ,2θ,3θ.0, \theta, 2\theta, 3\theta. Pero 90<3θ<13590^\circ \lt 3\theta \lt 135^\circ tiene coseno negativo, así que θ4=2θ,\theta_4 = 2\theta, y de ahí en adelante el ángulo alterna entre 3θ3\theta y 2θ.2\theta. En particular θn=2θ\theta_n = 2\theta para todo entero par n2.n \ge 2.

Como sin2θ=23545=2425,\sin 2\theta = 2 \cdot \frac{3}{5} \cdot \frac{4}{5} = \frac{24}{25}, a10=210sin2θ=10242425=2457625=983.04, \begin{aligned} a_{10} &= 2^{10} \sin 2\theta \\ &= 1024 \cdot \frac{24}{25} \\ &= \frac{24576}{25} = 983.04, \end{aligned} así que la respuesta es 983.983.

Write an=2nsinθna_n = 2^n \sin\theta_n with θ0=0,\theta_0 = 0, so 4nan2=2ncosθn.\sqrt{4^n - a_n^2} = 2^n\,|\cos\theta_n|. Let θ=arcsin35,\theta = \arcsin\frac{3}{5}, so cosθ=45.\cos\theta = \frac{4}{5}. The recursion becomes an+1=2n+1(cosθsinθn+sinθcosθn)=2n+1sin(θn±θ), \begin{aligned} &a_{n+1} \\ &= 2^{n+1} \\ &\quad {}\cdot \left(\cos\theta \sin\theta_n + \sin\theta\,|\cos\theta_n|\right) \\ &= 2^{n+1}\sin(\theta_n \pm \theta), \end{aligned} with the plus sign when cosθn0\cos\theta_n \ge 0 and the minus sign when cosθn<0.\cos\theta_n \lt 0.

Since 12<35<22,\frac{1}{2} \lt \frac{3}{5} \lt \frac{\sqrt{2}}{2}, we have 30<θ<45.30^\circ \lt \theta \lt 45^\circ. The angles θ,\theta, 2θ2\theta have positive cosine, so the sequence of angles runs 0,θ,2θ,3θ.0, \theta, 2\theta, 3\theta. But 90<3θ<13590^\circ \lt 3\theta \lt 135^\circ has negative cosine, so θ4=2θ,\theta_4 = 2\theta, and from then on the angle alternates between 3θ3\theta and 2θ.2\theta. In particular θn=2θ\theta_n = 2\theta for every even n2.n \ge 2.

With sin2θ=23545=2425,\sin 2\theta = 2 \cdot \frac{3}{5} \cdot \frac{4}{5} = \frac{24}{25}, a10=210sin2θ=10242425=2457625=983.04, \begin{aligned} a_{10} &= 2^{10} \sin 2\theta \\ &= 1024 \cdot \frac{24}{25} \\ &= \frac{24576}{25} = 983.04, \end{aligned} so the answer is 983.983.

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