Question

Los números complejos $z$ y $w$ satisfacen el sistema $z + \frac{20i}{w} = 5 + i,$ $w + \frac{12i}{z} = -4 + 10i.$

Halle el menor valor posible de $|zw|^2.$

The complex numbers $z$ and $w$ satisfy the system $z + \frac{20i}{w} = 5 + i,$ $w + \frac{12i}{z} = -4 + 10i.$

Find the smallest possible value of $|zw|^2.$

Respuesta

Solución:

Multiplicando las dos ecuaciones se obtiene $\begin{aligned} &zw + 12i + 20i \\ &\quad {}- \frac{240}{zw} = (5 + i)(-4 + 10i) \\ &\quad = -30 + 46i, \end{aligned}$ así que $zw - \frac{240}{zw} = -30 + 14i.$ Haciendo $v = zw$ resulta $v^2 + (30 - 14i)v - 240 = 0.$

Por la fórmula cuadrática, $v = -15 + 7i$ $\pm \sqrt{(15 - 7i)^2 + 240}$ $= -15 + 7i$ $\pm \sqrt{416 - 210i}.$ Escribir $(a + bi)^2 = 416 - 210i$ exige $a^2 - b^2 = 416$ y $ab = -105,$ lo que da $a + bi = \pm(21 - 5i).$ Por lo tanto $v = 6 + 2i$ o $v = -36 + 12i,$ con $|v|^2 = 40$ o $1440.$

El menor valor se alcanza: $z = 1 - i,$ $w = 2 + 4i$ satisface ambas ecuaciones con $zw = 6 + 2i.$ Así que el menor valor posible de $|zw|^2$ es $40.$

Multiplying the two equations gives $\begin{aligned} &zw + 12i + 20i \\ &\quad {}- \frac{240}{zw} = (5 + i)(-4 + 10i) \\ &\quad = -30 + 46i, \end{aligned}$ so $zw - \frac{240}{zw} = -30 + 14i.$ Setting $v = zw$ yields $v^2 + (30 - 14i)v - 240 = 0.$

By the quadratic formula, $v = -15 + 7i$ $\pm \sqrt{(15 - 7i)^2 + 240}$ $= -15 + 7i$ $\pm \sqrt{416 - 210i}.$ Writing $(a + bi)^2 = 416 - 210i$ requires $a^2 - b^2 = 416$ and $ab = -105,$ which gives $a + bi = \pm(21 - 5i).$ Hence $v = 6 + 2i$ or $v = -36 + 12i,$ with $|v|^2 = 40$ or $1440.$

The smaller value is attained: $z = 1 - i,$ $w = 2 + 4i$ satisfies both equations with $zw = 6 + 2i.$ So the smallest possible value of $|zw|^2$ is $40.$

2012 AIME II Problema 8

Solución:

El Problema 8 en otros años