Question

En el cuadrado $ABCD,$ los puntos $E, F, G,$ y $H$ están en los lados $\overline{AB},$ $\overline{BC},$ $\overline{CD},$ y $\overline{DA},$ respectivamente, de modo que $\overline{EG} \perp \overline{FH}$ y $EG = FH = 34.$ Los segmentos $\overline{EG}$ y $\overline{FH}$ se cortan en un punto $P,$ y las áreas de los cuadriláteros $AEPH,$ $BFPE,$ $CGPF,$ y $DHPG$ están en la razón $269 : 275 : 405 : 411.$ Halla el área del cuadrado $ABCD.$

On square $ABCD,$ points $E, F, G,$ and $H$ lie on sides $\overline{AB},$ $\overline{BC},$ $\overline{CD},$ and $\overline{DA},$ respectively, so that $\overline{EG} \perp \overline{FH}$ and $EG = FH = 34.$ Segments $\overline{EG}$ and $\overline{FH}$ intersect at a point $P,$ and the areas of the quadrilaterals $AEPH,$ $BFPE,$ $CGPF,$ and $DHPG$ are in the ratio $269 : 275 : 405 : 411.$ Find the area of square $ABCD.$

Respuesta

Solución:

Coloca $B = (0,0),$ $C = (s, 0),$ $D = (s, s),$ $A = (0, s),$ con $E = (0, e),$ $F = (f, 0),$ $G = (s, g),$ $H = (h, s).$ Las regiones $AEPH$ y $DHPG$ juntas forman el trapecio $AEGD,$ de área $\frac{s\,((s - e) + (s - g))}{2};$ como $\frac{269 + 411}{1360} = \frac{1}{2},$ esto es la mitad de $s^2,$ lo que obliga a $e + g = s,$ es decir, $EG$ pasa por el centro. De igual modo, $AEPH$ y $BFPE$ forman el trapecio $ABFH$ de área $\frac{s(f + h)}{2} = \frac{269 + 275}{1360}\,s^2 = \frac{2}{5}s^2,$ así que $f + h = \frac{4s}{5}.$ La perpendicularidad de las direcciones $(s, g - e)$ y $(h - f, s)$ da $h - f = e - g.$ Escribiendo $\delta = g - e,$ obtenemos $E = \left(0, \frac{s - \delta}{2}\right),$ $G = \left(s, \frac{s + \delta}{2}\right),$ $F = \left(\frac{2s}{5} + \frac{\delta}{2}, 0\right),$ $H = \left(\frac{2s}{5} - \frac{\delta}{2}, s\right),$ y $EG = 34$ da $s^2 + \delta^2 = 1156.$

Intersecar las rectas $EG$ y $FH$ (y simplificar con $s^2 + \delta^2 = 1156$ ) da $\begin{aligned} P &= \\ &\left(\frac{s}{2} - \frac{s^3}{11560},\; \frac{s}{2} - \frac{s^2\delta}{11560}\right), \end{aligned}$ y la fórmula del zapatero (shoelace) sobre $A, E, P, H$ da entonces $[AEPH] = \frac{s^2}{5} - \frac{s^3\delta}{231200}.$ Igualar esto a $\frac{269}{1360}s^2$ deja $\frac{3s^2}{1360} = \frac{s^3\delta}{231200},$ así que $s\delta = 510.$

Ahora $s^2 + \delta^2 = 1156$ y $s^2\delta^2 = 260100,$ así que $s^2$ y $\delta^2$ son las raíces de $t^2 - 1156t + 260100 = 0,$ que son $\frac{1156 \pm 544}{2} = 850$ y $306.$ Como $|\delta| = |g - e| \lt s,$ el área es $s^2 = 850.$

Place $B = (0,0),$ $C = (s, 0),$ $D = (s, s),$ $A = (0, s),$ with $E = (0, e),$ $F = (f, 0),$ $G = (s, g),$ $H = (h, s).$ The regions $AEPH$ and $DHPG$ together form the trapezoid $AEGD,$ of area $\frac{s\,((s - e) + (s - g))}{2};$ since $\frac{269 + 411}{1360} = \frac{1}{2},$ this is half of $s^2,$ forcing $e + g = s,$ i.e. $EG$ passes through the center. Likewise $AEPH$ and $BFPE$ form the trapezoid $ABFH$ of area $\frac{s(f + h)}{2} = \frac{269 + 275}{1360}\,s^2 = \frac{2}{5}s^2,$ so $f + h = \frac{4s}{5}.$ Perpendicularity of the directions $(s, g - e)$ and $(h - f, s)$ gives $h - f = e - g.$ Writing $\delta = g - e,$ we get $E = \left(0, \frac{s - \delta}{2}\right),$ $G = \left(s, \frac{s + \delta}{2}\right),$ $F = \left(\frac{2s}{5} + \frac{\delta}{2}, 0\right),$ $H = \left(\frac{2s}{5} - \frac{\delta}{2}, s\right),$ and $EG = 34$ gives $s^2 + \delta^2 = 1156.$

Intersecting lines $EG$ and $FH$ (and simplifying with $s^2 + \delta^2 = 1156$ ) yields $\begin{aligned} P &= \\ &\left(\frac{s}{2} - \frac{s^3}{11560},\; \frac{s}{2} - \frac{s^2\delta}{11560}\right), \end{aligned}$ and the shoelace formula on $A, E, P, H$ then gives $[AEPH] = \frac{s^2}{5} - \frac{s^3\delta}{231200}.$ Setting this equal to $\frac{269}{1360}s^2$ leaves $\frac{3s^2}{1360} = \frac{s^3\delta}{231200},$ so $s\delta = 510.$

Now $s^2 + \delta^2 = 1156$ and $s^2\delta^2 = 260100,$ so $s^2$ and $\delta^2$ are the roots of $t^2 - 1156t + 260100 = 0,$ which are $\frac{1156 \pm 544}{2} = 850$ and $306.$ Since $|\delta| = |g - e| \lt s,$ the area is $s^2 = 850.$

2014 AIME I Problema 13

Solución:

El Problema 13 en otros años