2013 AIME II Problema 15

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 15 del 2013 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2013 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:ley de los senosley de los cosenosidentidad trigonométrica

Nivel de dificultad: 3370

15.

Sean A,B,CA, B, C los ángulos de un triángulo con AA y CC agudos y BB mayor que un ángulo recto, que satisfacen cos2A+cos2B+2sinAsinBcosC=158 \begin{aligned} &\cos^2 A + \cos^2 B \\ &\quad {}+ 2 \sin A \sin B \cos C = \frac{15}{8} \end{aligned} y cos2B+cos2C+2sinBsinCcosA=149. \begin{aligned} &\cos^2 B + \cos^2 C \\ &\quad {}+ 2 \sin B \sin C \cos A = \frac{14}{9}. \end{aligned} Existen enteros positivos p,p, q,q, r,r, y ss para los cuales cos2C+cos2A+2sinCsinAcosB=pqrs, \begin{aligned} &\cos^2 C + \cos^2 A \\ &\quad {}+ 2 \sin C \sin A \cos B \\ &= \frac{p - q\sqrt{r}}{s}, \end{aligned} donde p+qp + q y ss son primos entre sí y rr no es divisible por el cuadrado de ningún primo. Halla p+q+r+s.p + q + r + s.

Let A,B,CA, B, C be angles of a triangle with AA and CC acute and BB greater than a right angle satisfying cos2A+cos2B+2sinAsinBcosC=158 \begin{aligned} &\cos^2 A + \cos^2 B \\ &\quad {}+ 2 \sin A \sin B \cos C = \frac{15}{8} \end{aligned} and cos2B+cos2C+2sinBsinCcosA=149. \begin{aligned} &\cos^2 B + \cos^2 C \\ &\quad {}+ 2 \sin B \sin C \cos A = \frac{14}{9}. \end{aligned} There are positive integers p,p, q,q, r,r, and ss for which cos2C+cos2A+2sinCsinAcosB=pqrs, \begin{aligned} &\cos^2 C + \cos^2 A \\ &\quad {}+ 2 \sin C \sin A \cos B \\ &= \frac{p - q\sqrt{r}}{s}, \end{aligned} where p+qp + q and ss are relatively prime and rr is not divisible by the square of any prime. Find p+q+r+s.p + q + r + s.

Solución:

Reemplazando cada cos2\cos^2 por 1sin2,1 - \sin^2, la primera ecuación se convierte en sin2A+sin2B\sin^2 A + \sin^2 B 2sinAsinBcosC=18.- 2 \sin A \sin B \cos C = \frac{1}{8}. Por la ley de senos, sinA=a2R\sin A = \frac{a}{2R} y así sucesivamente, así que el lado izquierdo es igual a a2+b22abcosC4R2=c24R2=sin2C \begin{aligned} \frac{a^2 + b^2 - 2ab\cos C}{4R^2} &= \frac{c^2}{4R^2} \\ &= \sin^2 C \end{aligned} por la ley de cosenos. De aquí sin2C=2158=18.\sin^2 C = 2 - \frac{15}{8} = \frac{1}{8}. El mismo argumento convierte la segunda ecuación en sin2A=2149=49,\sin^2 A = 2 - \frac{14}{9} = \frac{4}{9}, y muestra que la expresión pedida es igual a 2sin2B.2 - \sin^2 B.

Como AA y CC son agudos, cosA=53\cos A = \frac{\sqrt{5}}{3} y cosC=144,\cos C = \frac{\sqrt{14}}{4}, con sinA=23\sin A = \frac{2}{3} y sinC=24.\sin C = \frac{\sqrt{2}}{4}. Entonces sinB=sin(A+C)=23144+5324=214+1012, \begin{aligned} \sin B &= \sin(A + C) \\ &= \frac{2}{3} \cdot \frac{\sqrt{14}}{4} + \frac{\sqrt{5}}{3} \cdot \frac{\sqrt{2}}{4} \\ &= \frac{2\sqrt{14} + \sqrt{10}}{12}, \end{aligned} así que sin2B=66+835144=33+43572.\sin^2 B = \frac{66 + 8\sqrt{35}}{144} = \frac{33 + 4\sqrt{35}}{72}.

Por lo tanto 2sin2B=11143572,2 - \sin^2 B = \frac{111 - 4\sqrt{35}}{72}, y p+q+r+sp + q + r + s =111+4+35+72= 111 + 4 + 35 + 72 =222.= 222.

Replacing each cos2\cos^2 by 1sin2,1 - \sin^2, the first equation becomes sin2A+sin2B\sin^2 A + \sin^2 B 2sinAsinBcosC=18.- 2 \sin A \sin B \cos C = \frac{1}{8}. By the law of sines, sinA=a2R\sin A = \frac{a}{2R} and so on, so the left side equals a2+b22abcosC4R2=c24R2=sin2C \begin{aligned} \frac{a^2 + b^2 - 2ab\cos C}{4R^2} &= \frac{c^2}{4R^2} \\ &= \sin^2 C \end{aligned} by the law of cosines. Hence sin2C=2158=18.\sin^2 C = 2 - \frac{15}{8} = \frac{1}{8}. The same argument turns the second equation into sin2A=2149=49,\sin^2 A = 2 - \frac{14}{9} = \frac{4}{9}, and shows the requested expression equals 2sin2B.2 - \sin^2 B.

Since AA and CC are acute, cosA=53\cos A = \frac{\sqrt{5}}{3} and cosC=144,\cos C = \frac{\sqrt{14}}{4}, with sinA=23\sin A = \frac{2}{3} and sinC=24.\sin C = \frac{\sqrt{2}}{4}. Then sinB=sin(A+C)=23144+5324=214+1012, \begin{aligned} \sin B &= \sin(A + C) \\ &= \frac{2}{3} \cdot \frac{\sqrt{14}}{4} + \frac{\sqrt{5}}{3} \cdot \frac{\sqrt{2}}{4} \\ &= \frac{2\sqrt{14} + \sqrt{10}}{12}, \end{aligned} so sin2B=66+835144=33+43572.\sin^2 B = \frac{66 + 8\sqrt{35}}{144} = \frac{33 + 4\sqrt{35}}{72}.

Therefore 2sin2B=11143572,2 - \sin^2 B = \frac{111 - 4\sqrt{35}}{72}, and p+q+r+sp + q + r + s =111+4+35+72= 111 + 4 + 35 + 72 =222.= 222.

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