Problemas del 2014 AIME II

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1.

Abe puede pintar la habitación en 1515 horas, Bea puede pintar un 5050 por ciento más rápido que Abe, y Coe puede pintar el doble de rápido que Abe. Abe empieza a pintar la habitación y trabaja solo durante la primera hora y media. Luego Bea se une a Abe, y trabajan juntos hasta que la mitad de la habitación está pintada. Luego Coe se une a Abe y Bea, y trabajan juntos hasta que toda la habitación está pintada. Halla el número de minutos que transcurren desde que Abe empieza hasta que los tres terminan de pintar la habitación.

Abe can paint the room in 1515 hours, Bea can paint 5050 percent faster than Abe, and Coe can paint twice as fast as Abe. Abe begins to paint the room and works alone for the first hour and a half. Then Bea joins Abe, and they work together until half the room is painted. Then Coe joins Abe and Bea, and they work together until the entire room is painted. Find the number of minutes after Abe begins for the three of them to finish painting the room.

Respuesta: 334
Conceptos:tasafracción

Nivel de dificultad: 1890

Solución:

Abe pinta 1900\frac{1}{900} de la habitación por minuto, así que Bea pinta 321900=1600\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{900} = \frac{1}{600} por minuto y Coe pinta 2900=1450\frac{2}{900} = \frac{1}{450} por minuto. En los primeros 9090 minutos Abe pinta 90900=110\frac{90}{900} = \frac{1}{10} de la habitación.

Abe y Bea juntos pintan 1900+1600=1360\frac{1}{900} + \frac{1}{600} = \frac{1}{360} por minuto, y deben llevar el total desde 110\frac{1}{10} hasta 12,\frac{1}{2}, lo cual toma 25360=144\frac{2}{5} \cdot 360 = 144 minutos. Los tres juntos pintan 1360+1450=1200\frac{1}{360} + \frac{1}{450} = \frac{1}{200} por minuto, así que la mitad restante de la habitación toma 12200=100\frac{1}{2} \cdot 200 = 100 minutos.

El tiempo total es 90+144+100=33490 + 144 + 100 = 334 minutos.

Abe paints 1900\frac{1}{900} of the room per minute, so Bea paints 321900=1600\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{900} = \frac{1}{600} per minute and Coe paints 2900=1450\frac{2}{900} = \frac{1}{450} per minute. In the first 9090 minutes Abe paints 90900=110\frac{90}{900} = \frac{1}{10} of the room.

Abe and Bea together paint 1900+1600=1360\frac{1}{900} + \frac{1}{600} = \frac{1}{360} per minute, and they must bring the total from 110\frac{1}{10} up to 12,\frac{1}{2}, which takes 25360=144\frac{2}{5} \cdot 360 = 144 minutes. All three together paint 1360+1450=1200\frac{1}{360} + \frac{1}{450} = \frac{1}{200} per minute, so the remaining half of the room takes 12200=100\frac{1}{2} \cdot 200 = 100 minutes.

The total time is 90+144+100=33490 + 144 + 100 = 334 minutes.

2.

Arnold está estudiando la prevalencia de tres factores de riesgo para la salud, denotados por A,A, B,B, y C,C, dentro de una población de hombres. Para cada uno de los tres factores, la probabilidad de que un hombre elegido al azar de la población tenga solo este factor de riesgo (y ninguno de los otros) es 0.1.0.1. Para cualesquiera dos de los tres factores, la probabilidad de que un hombre elegido al azar tenga exactamente estos dos factores de riesgo (pero no el tercero) es 0.14.0.14. La probabilidad de que un hombre elegido al azar tenga los tres factores de riesgo, dado que tiene AA y B,B, es 13.\frac{1}{3}. La probabilidad de que un hombre no tenga ninguno de los tres factores de riesgo dado que no tiene el factor de riesgo AA es pq,\frac{p}{q}, donde pp y qq son enteros positivos primos entre sí. Halla p+q.p + q.

Arnold is studying the prevalence of three health risk factors, denoted by A,A, B,B, and C,C, within a population of men. For each of the three factors, the probability that a randomly selected man in the population has only this risk factor (and none of the others) is 0.1.0.1. For any two of the three factors, the probability that a randomly selected man has exactly these two risk factors (but not the third) is 0.14.0.14. The probability that a randomly selected man has all three risk factors, given that he has AA and B,B, is 13.\frac{1}{3}. The probability that a man has none of the three risk factors given that he does not have risk factor AA is pq,\frac{p}{q}, where pp and qq are relatively prime positive integers. Find p+q.p + q.

Respuesta: 76

Nivel de dificultad: 2110

Solución:

Toma una población de 100100 hombres y completa un diagrama de Venn. Cada una de las tres regiones de exactamente-uno contiene 1010 hombres, y cada una de las tres regiones de exactamente-dos contiene 14.14. Si xx hombres tienen los tres factores, entonces los hombres que tienen tanto AA como BB suman x+14,x + 14, así que la probabilidad condicional dada dice xx+14=13,\frac{x}{x + 14} = \frac{1}{3}, lo que da x=7.x = 7.

La unión de los tres conjuntos contiene por tanto 310+314+7=793 \cdot 10 + 3 \cdot 14 + 7 = 79 hombres, dejando 2121 sin ningún factor de riesgo. Los hombres con el factor de riesgo AA suman 10+14+14+7=45,10 + 14 + 14 + 7 = 45, así que 5555 hombres no tienen A.A.

La probabilidad buscada es 2155,\frac{21}{55}, que está en su forma más simple, así que p+q=21+55=76.p + q = 21 + 55 = 76.

Take a population of 100100 men and fill in a Venn diagram. Each of the three exactly-one regions contains 1010 men, and each of the three exactly-two regions contains 14.14. If xx men have all three factors, then the men with both AA and BB number x+14,x + 14, so the given conditional probability says xx+14=13,\frac{x}{x + 14} = \frac{1}{3}, giving x=7.x = 7.

The union of the three sets therefore contains 310+314+7=793 \cdot 10 + 3 \cdot 14 + 7 = 79 men, leaving 2121 with no risk factor. The men with risk factor AA number 10+14+14+7=45,10 + 14 + 14 + 7 = 45, so 5555 men do not have A.A.

The desired probability is 2155,\frac{21}{55}, which is in lowest terms, so p+q=21+55=76.p + q = 21 + 55 = 76.

3.

Un rectángulo tiene lados de longitud aa y 36.36. Se instala una bisagra en cada vértice del rectángulo y en el punto medio de cada lado de longitud 36.36. Los lados de longitud aa se pueden presionar uno hacia el otro manteniendo esos dos lados paralelos, de modo que el rectángulo se convierte en un hexágono convexo como se muestra. Cuando la figura es un hexágono con los lados de longitud aa paralelos y separados por una distancia de 24,24, el hexágono tiene la misma área que el rectángulo original. Halla a2.a^2.

A rectangle has sides of length aa and 36.36. A hinge is installed at each vertex of the rectangle and at the midpoint of each side of length 36.36. The sides of length aa can be pressed toward each other keeping those two sides parallel so the rectangle becomes a convex hexagon as shown. When the figure is a hexagon with the sides of length aa parallel and separated by a distance of 24,24, the hexagon has the same area as the original rectangle. Find a2.a^2.

Respuesta: 720

Nivel de dificultad: 2110

Solución:

En el hexágono, cada lado de longitud 3636 se ha plegado en su punto medio en dos barras de longitud 18.18. Los dos lados de longitud aa están separados por 2424, así que cada barra abarca una distancia vertical de 1212 y por tanto una distancia horizontal de 182122=180=65.\sqrt{18^2 - 12^2} = \sqrt{180} = 6\sqrt{5}.

La recta que pasa por las dos bisagras de los puntos medios divide el hexágono en dos trapecios congruentes con lados paralelos aa y a+125a + 12\sqrt{5} y altura 12,12, así que el hexágono tiene área 2a+(a+125)212=24a+1445. \begin{aligned} &2 \cdot \frac{a + (a + 12\sqrt{5})}{2} \cdot 12 \\ &= 24a + 144\sqrt{5}. \end{aligned}

Igualando esto al área del rectángulo 36a36a se obtiene 12a=1445,12a = 144\sqrt{5}, así que a=125a = 12\sqrt{5} y a2=720.a^2 = 720.

In the hexagon, each side of length 3636 has folded at its midpoint into two bars of length 18.18. The two sides of length aa are 2424 apart, so each bar spans a vertical distance of 1212 and hence a horizontal distance of 182122=180=65.\sqrt{18^2 - 12^2} = \sqrt{180} = 6\sqrt{5}.

The line through the two midpoint hinges splits the hexagon into two congruent trapezoids with parallel sides aa and a+125a + 12\sqrt{5} and height 12,12, so the hexagon has area 2a+(a+125)212=24a+1445. \begin{aligned} &2 \cdot \frac{a + (a + 12\sqrt{5})}{2} \cdot 12 \\ &= 24a + 144\sqrt{5}. \end{aligned}

Setting this equal to the rectangle's area 36a36a gives 12a=1445,12a = 144\sqrt{5}, so a=125a = 12\sqrt{5} and a2=720.a^2 = 720.

4.

Los decimales periódicos 0.ababab0.abab\overline{ab} y 0.abcabcabc0.abcabc\overline{abc} satisfacen 0.ababab+0.abcabcabc=3337,0.abab\overline{ab} + 0.abcabc\overline{abc} = \frac{33}{37}, donde a,a, b,b, y cc son dígitos (no necesariamente distintos). Halla el número de tres cifras abc.abc.

The repeating decimals 0.ababab0.abab\overline{ab} and 0.abcabcabc0.abcabc\overline{abc} satisfy 0.ababab+0.abcabcabc=3337,0.abab\overline{ab} + 0.abcabc\overline{abc} = \frac{33}{37}, where a,a, b,b, and cc are (not necessarily distinct) digits. Find the three-digit number abc.abc.

Respuesta: 447

Nivel de dificultad: 2230

Solución:

Escribiendo abab y abcabc para los números de dos y tres cifras, los decimales son iguales a ab99\frac{ab}{99} y abc999.\frac{abc}{999}. Como 99=91199 = 9 \cdot 11 y 999=2737,999 = 27 \cdot 37, el denominador común es 273711=10989,27 \cdot 37 \cdot 11 = 10989, y multiplicar la ecuación por él da 111ab+11abc=333710989=9801. \begin{aligned} &111 \cdot ab + 11 \cdot abc \\ &= \frac{33}{37} \cdot 10989 \\ &= 9801. \end{aligned}

Módulo 11,11, como 9801=118919801 = 11 \cdot 891 y 1111,111 \equiv 1, esto obliga a que 11ab,11 \mid ab, así que a=b.a = b. Entonces ab=11a,ab = 11a, y dividir la ecuación entre 1111 da 111a+abc=891.111a + abc = 891. Como abc=110a+c,abc = 110a + c, esto es 221a+c=891,221a + c = 891, lo cual requiere a=4a = 4 y c=7.c = 7.

Por tanto a=b=4,a = b = 4, c=7,c = 7, y el número de tres cifras abcabc es 447.447.

Writing abab and abcabc for the two- and three-digit numbers, the decimals equal ab99\frac{ab}{99} and abc999.\frac{abc}{999}. Since 99=91199 = 9 \cdot 11 and 999=2737,999 = 27 \cdot 37, the common denominator is 273711=10989,27 \cdot 37 \cdot 11 = 10989, and multiplying the equation by it gives 111ab+11abc=333710989=9801. \begin{aligned} &111 \cdot ab + 11 \cdot abc \\ &= \frac{33}{37} \cdot 10989 \\ &= 9801. \end{aligned}

Modulo 11,11, since 9801=118919801 = 11 \cdot 891 and 1111,111 \equiv 1, this forces 11ab,11 \mid ab, so a=b.a = b. Then ab=11a,ab = 11a, and dividing the equation by 1111 gives 111a+abc=891.111a + abc = 891. Since abc=110a+c,abc = 110a + c, this is 221a+c=891,221a + c = 891, which requires a=4a = 4 and c=7.c = 7.

Thus a=b=4,a = b = 4, c=7,c = 7, and the three-digit number abcabc is 447.447.

5.

Los números reales rr y ss son raíces de p(x)=x3+ax+b,p(x) = x^3 + ax + b, y r+4r + 4 y s3s - 3 son raíces de q(x)=x3+ax+b+240.q(x) = x^3 + ax + b + 240. Halla la suma de todos los valores posibles de b.|b|.

Real numbers rr and ss are roots of p(x)=x3+ax+b,p(x) = x^3 + ax + b, and r+4r + 4 and s3s - 3 are roots of q(x)=x3+ax+b+240.q(x) = x^3 + ax + b + 240. Find the sum of all possible values of b.|b|.

Respuesta: 420

Nivel de dificultad: 2560

Solución:

Ambas cúbicas tienen coeficiente x2x^2 igual a cero, así que sus raíces suman 0:0: la tercera raíz de pp es t=rs,t = -r - s, y la tercera raíz de qq es (r+4)(s3)=t1.-(r+4) - (s-3) = t - 1. El coeficiente de xx es aa en ambas, así que rs+st+tr=(r+4)(s3)+(s3)(t1)+(t1)(r+4), \begin{aligned} &rs + st + tr \\ &= (r+4)(s-3) \\ &\quad {}+ (s-3)(t-1) \\ &\quad {}+ (t-1)(r+4), \end{aligned} lo cual se simplifica a t=4r3s+13.t = 4r - 3s + 13.

Los términos constantes dan b=rstb = -rst y b+240=b + 240 = (r+4)(s3)(t1),-(r+4)(s-3)(t-1), así que 240=240 = rst(r+4)(s3)(t1),rst - (r+4)(s-3)(t-1), es decir rs4st+3tr3rrs - 4st + 3tr - 3r +4s+12t252=0.+ 4s + 12t - 252 = 0. Sustituir t=4r3s+13t = 4r - 3s + 13 reduce esto a 12[(rs)2+7(rs)8]=0,12\left[(r-s)^2 + 7(r-s) - 8\right] = 0, así que rs=1r - s = 1 o rs=8.r - s = -8.

Si rs=1,r - s = 1, entonces t=4r3s+13=r+16t = 4r - 3s + 13 = r + 16 y t=rs=2r+1,t = -r - s = -2r + 1, así que r=5:r = -5: las raíces son 5,-5, 6,-6, 11,11, y b=rst=330.b = -rst = -330. Si rs=8,r - s = -8, entonces t=r11=2r8,t = r - 11 = -2r - 8, así que r=1:r = 1: las raíces son 1,1, 9,9, 10,-10, y b=90.b = 90. La suma pedida es 330+90=420.330 + 90 = 420.

Both cubics have zero x2x^2 coefficient, so their roots sum to 0:0: the third root of pp is t=rs,t = -r - s, and the third root of qq is (r+4)(s3)=t1.-(r+4) - (s-3) = t - 1. The coefficient of xx is aa in both, so rs+st+tr=(r+4)(s3)+(s3)(t1)+(t1)(r+4), \begin{aligned} &rs + st + tr \\ &= (r+4)(s-3) \\ &\quad {}+ (s-3)(t-1) \\ &\quad {}+ (t-1)(r+4), \end{aligned} which simplifies to t=4r3s+13.t = 4r - 3s + 13.

The constant terms give b=rstb = -rst and b+240=b + 240 = (r+4)(s3)(t1),-(r+4)(s-3)(t-1), so 240=240 = rst(r+4)(s3)(t1),rst - (r+4)(s-3)(t-1), i.e. rs4st+3tr3rrs - 4st + 3tr - 3r +4s+12t252=0.+ 4s + 12t - 252 = 0. Substituting t=4r3s+13t = 4r - 3s + 13 reduces this to 12[(rs)2+7(rs)8]=0,12\left[(r-s)^2 + 7(r-s) - 8\right] = 0, so rs=1r - s = 1 or rs=8.r - s = -8.

If rs=1,r - s = 1, then t=4r3s+13=r+16t = 4r - 3s + 13 = r + 16 and t=rs=2r+1,t = -r - s = -2r + 1, so r=5:r = -5: the roots are 5,-5, 6,-6, 11,11, and b=rst=330.b = -rst = -330. If rs=8,r - s = -8, then t=r11=2r8,t = r - 11 = -2r - 8, so r=1:r = 1: the roots are 1,1, 9,9, 10,-10, and b=90.b = 90. The requested sum is 330+90=420.330 + 90 = 420.

6.

Charles tiene dos dados de seis caras. Uno de los dados es justo, y el otro dado está sesgado de modo que sale seis con probabilidad 23,\frac{2}{3}, y cada una de las otras cinco caras tiene probabilidad 115.\frac{1}{15}. Charles elige uno de los dos dados al azar y lo lanza tres veces. Dado que las dos primeras tiradas son ambas seises, la probabilidad de que la tercera tirada sea también un seis es pq,\frac{p}{q}, donde pp y qq son enteros positivos primos entre sí. Halla p+q.p + q.

Charles has two six-sided dice. One of the dice is fair, and the other die is biased so that it comes up six with probability 23,\frac{2}{3}, and each of the other five sides has probability 115.\frac{1}{15}. Charles chooses one of the two dice at random and rolls it three times. Given that the first two rolls are both sixes, the probability that the third roll will also be a six is pq,\frac{p}{q}, where pp and qq are relatively prime positive integers. Find p+q.p + q.

Respuesta: 167
Solución:

La probabilidad condicional buscada es Pr(three sixes)Pr(first two are sixes)=12(23)3+12(16)312(23)2+12(16)2, \begin{aligned} &\frac{\Pr(\text{three sixes})}{\Pr(\text{first two are sixes})} \\ &= \frac{\frac{1}{2}\left(\frac{2}{3}\right)^3 + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{6}\right)^3} {\frac{1}{2}\left(\frac{2}{3}\right)^2 + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{6}\right)^2}, \end{aligned} ya que cada dado se elige con probabilidad 12\frac{1}{2} y el dado justo muestra un seis con probabilidad 16.\frac{1}{6}.

El numerador es 12(827+1216)=65432\frac{1}{2}\left(\frac{8}{27} + \frac{1}{216}\right) = \frac{65}{432} y el denominador es 12(49+136)=1772,\frac{1}{2}\left(\frac{4}{9} + \frac{1}{36}\right) = \frac{17}{72}, así que la probabilidad es 654327217=65102.\frac{65}{432} \cdot \frac{72}{17} = \frac{65}{102}.

Como 65=51365 = 5 \cdot 13 y 102=2317102 = 2 \cdot 3 \cdot 17 no comparten ningún factor, p+q=65+102=167.p + q = 65 + 102 = 167.

The desired conditional probability is Pr(three sixes)Pr(first two are sixes)=12(23)3+12(16)312(23)2+12(16)2, \begin{aligned} &\frac{\Pr(\text{three sixes})}{\Pr(\text{first two are sixes})} \\ &= \frac{\frac{1}{2}\left(\frac{2}{3}\right)^3 + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{6}\right)^3} {\frac{1}{2}\left(\frac{2}{3}\right)^2 + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{6}\right)^2}, \end{aligned} since each die is chosen with probability 12\frac{1}{2} and the fair die shows a six with probability 16.\frac{1}{6}.

The numerator is 12(827+1216)=65432\frac{1}{2}\left(\frac{8}{27} + \frac{1}{216}\right) = \frac{65}{432} and the denominator is 12(49+136)=1772,\frac{1}{2}\left(\frac{4}{9} + \frac{1}{36}\right) = \frac{17}{72}, so the probability is 654327217=65102.\frac{65}{432} \cdot \frac{72}{17} = \frac{65}{102}.

Since 65=51365 = 5 \cdot 13 and 102=2317102 = 2 \cdot 3 \cdot 17 share no factor, p+q=65+102=167.p + q = 65 + 102 = 167.

7.

Sea f(x)=(x2+3x+2)cos(πx).f(x) = \left(x^2 + 3x + 2\right)^{\cos(\pi x)}. Halla la suma de todos los enteros positivos nn para los que k=1nlog10f(k)=1.\left|\sum_{k=1}^{n} \log_{10} f(k)\right| = 1.

Let f(x)=(x2+3x+2)cos(πx).f(x) = \left(x^2 + 3x + 2\right)^{\cos(\pi x)}. Find the sum of all positive integers nn for which k=1nlog10f(k)=1.\left|\sum_{k=1}^{n} \log_{10} f(k)\right| = 1.

Respuesta: 21

Nivel de dificultad: 2450

Solución:

Como cos(πk)=(1)k\cos(\pi k) = (-1)^k y k2+3k+2=(k+1)(k+2),k^2 + 3k + 2 = (k+1)(k+2), tenemos f(k)=[(k+1)(k+2)](1)k.f(k) = \left[(k+1)(k+2)\right]^{(-1)^k}. La suma de los logaritmos es el logaritmo del producto k=1nf(k),\prod_{k=1}^n f(k), que es telescópico: los factores consecutivos 1(k+1)(k+2)\frac{1}{(k+1)(k+2)} y (k+2)(k+3)(k+2)(k+3) dejan solo los términos de frontera.

Para nn par el producto es 34(n+2)23(n+1)=n+22,\frac{3 \cdot 4 \cdots (n+2)}{2 \cdot 3 \cdots (n+1)} = \frac{n+2}{2}, y para nn impar es 34(n+1)23(n+2)=12(n+2).\frac{3 \cdot 4 \cdots (n+1)}{2 \cdot 3 \cdots (n+2)} = \frac{1}{2(n+2)}. El valor absoluto del logaritmo es igual a 11 exactamente cuando el producto es 1010 o 110.\frac{1}{10}.

Para nn par, n+22=10\frac{n+2}{2} = 10 da n=18;n = 18; para nn impar, 2(n+2)=102(n+2) = 10 da n=3.n = 3. La suma pedida es 18+3=21.18 + 3 = 21.

Since cos(πk)=(1)k\cos(\pi k) = (-1)^k and k2+3k+2=(k+1)(k+2),k^2 + 3k + 2 = (k+1)(k+2), we have f(k)=[(k+1)(k+2)](1)k.f(k) = \left[(k+1)(k+2)\right]^{(-1)^k}. The sum of the logarithms is the log of the product k=1nf(k),\prod_{k=1}^n f(k), which telescopes: consecutive factors 1(k+1)(k+2)\frac{1}{(k+1)(k+2)} and (k+2)(k+3)(k+2)(k+3) leave only boundary terms.

For even nn the product is 34(n+2)23(n+1)=n+22,\frac{3 \cdot 4 \cdots (n+2)}{2 \cdot 3 \cdots (n+1)} = \frac{n+2}{2}, and for odd nn it is 34(n+1)23(n+2)=12(n+2).\frac{3 \cdot 4 \cdots (n+1)}{2 \cdot 3 \cdots (n+2)} = \frac{1}{2(n+2)}. The absolute value of the log equals 11 exactly when the product is 1010 or 110.\frac{1}{10}.

For even n,n, n+22=10\frac{n+2}{2} = 10 gives n=18;n = 18; for odd n,n, 2(n+2)=102(n+2) = 10 gives n=3.n = 3. The requested sum is 18+3=21.18 + 3 = 21.

8.

El círculo CC con radio 22 tiene diámetro AB.\overline{AB}. El círculo DD es tangente interiormente al círculo CC en A.A. El círculo EE es tangente interiormente al círculo C,C, tangente exteriormente al círculo D,D, y tangente a AB.\overline{AB}. El radio del círculo DD es tres veces el radio del círculo EE y se puede escribir en la forma mn,\sqrt{m} - n, donde mm y nn son enteros positivos. Halla m+n.m + n.

Circle CC with radius 22 has diameter AB.\overline{AB}. Circle DD is internally tangent to circle CC at A.A. Circle EE is internally tangent to circle C,C, externally tangent to circle D,D, and tangent to AB.\overline{AB}. The radius of circle DD is three times the radius of circle EE and can be written in the form mn,\sqrt{m} - n, where mm and nn are positive integers. Find m+n.m + n.

Respuesta: 254
Solución:

Sean C,C, D,D, EE también los nombres de los centros de los círculos, sea ss el radio del círculo E,E, de modo que el círculo DD tiene radio 3s,3s, y sea FF el pie de EE sobre AB.\overline{AB}. La tangencia da CE=2s,CE = 2 - s, DE=3s+s=4s,DE = 3s + s = 4s, y EF=s,EF = s, mientras que DD está sobre AB\overline{AB} con DC=23s.DC = 2 - 3s.

Los triángulos rectángulos CEFCEF y DEFDEF dan CF=(2s)2s2CF = \sqrt{(2-s)^2 - s^2} =44s= \sqrt{4 - 4s} y DF=(4s)2s2=s15.DF = \sqrt{(4s)^2 - s^2} = s\sqrt{15}. Como FF está en el lado opuesto de CC respecto de A,A, tenemos DF=DC+CF,DF = DC + CF, así que s15=(23s)+44s.s\sqrt{15} = (2 - 3s) + \sqrt{4 - 4s}.

Pasar 23s2 - 3s a la izquierda y elevar al cuadrado da 24s28s=215s(23s),24s^2 - 8s = 2\sqrt{15}\,s\,(2 - 3s), es decir 12s4=15(23s);12s - 4 = \sqrt{15}\,(2 - 3s); elevar al cuadrado de nuevo produce 9s2+84s44=0,9s^2 + 84s - 44 = 0, así que s=14+4153.s = \frac{-14 + 4\sqrt{15}}{3}. El radio del círculo DD es 3s=41514=24014,3s = 4\sqrt{15} - 14 = \sqrt{240} - 14, y m+n=240+14=254.m + n = 240 + 14 = 254.

Let C,C, D,D, EE also name the circles' centers, let ss be the radius of circle E,E, so circle DD has radius 3s,3s, and let FF be the foot of EE on AB.\overline{AB}. Tangency gives CE=2s,CE = 2 - s, DE=3s+s=4s,DE = 3s + s = 4s, and EF=s,EF = s, while DD lies on AB\overline{AB} with DC=23s.DC = 2 - 3s.

Right triangles CEFCEF and DEFDEF give CF=(2s)2s2CF = \sqrt{(2-s)^2 - s^2} =44s= \sqrt{4 - 4s} and DF=(4s)2s2=s15.DF = \sqrt{(4s)^2 - s^2} = s\sqrt{15}. Since FF is on the opposite side of CC from A,A, we have DF=DC+CF,DF = DC + CF, so s15=(23s)+44s.s\sqrt{15} = (2 - 3s) + \sqrt{4 - 4s}.

Moving 23s2 - 3s to the left and squaring gives 24s28s=215s(23s),24s^2 - 8s = 2\sqrt{15}\,s\,(2 - 3s), i.e. 12s4=15(23s);12s - 4 = \sqrt{15}\,(2 - 3s); squaring again yields 9s2+84s44=0,9s^2 + 84s - 44 = 0, so s=14+4153.s = \frac{-14 + 4\sqrt{15}}{3}. The radius of circle DD is 3s=41514=24014,3s = 4\sqrt{15} - 14 = \sqrt{240} - 14, and m+n=240+14=254.m + n = 240 + 14 = 254.

9.

Diez sillas están dispuestas en un círculo. Halla el número de subconjuntos de este conjunto de sillas que contienen al menos tres sillas adyacentes.

Ten chairs are arranged in a circle. Find the number of subsets of this set of chairs that contain at least three adjacent chairs.

Respuesta: 581

Nivel de dificultad: 2760

Solución:

El conjunto completo de 1010 sillas cumple; cuenta los demás localizando cada racha maximal de al menos tres sillas elegidas adyacentes en su inicio en el sentido de las agujas del reloj. Cualquier subconjunto de este tipo contiene un bloque de cuatro sillas consecutivas que es vacía-elegida-elegida-elegida. Hay 1010 posiciones para este bloque, y las 66 sillas restantes son libres, lo que da 1026=640.10 \cdot 2^6 = 640.

Esto cuenta una vez por cada racha maximal de longitud al menos 3.3. Dos rachas de este tipo requieren al menos 3+33 + 3 sillas elegidas más dos huecos, así que tres rachas son imposibles, y los subconjuntos con exactamente dos rachas se cuentan dos veces. Para tener dos rachas, coloca dos bloques disjuntos vacía-elegida-elegida-elegida: 1032=15\frac{10 \cdot 3}{2} = 15 maneras (el segundo bloque cabe en 33 posiciones entre las 66 sillas restantes), con las últimas 22 sillas libres, para 1522=6015 \cdot 2^2 = 60 subconjuntos.

El total es 1+64060=581.1 + 640 - 60 = 581.

The full set of 1010 chairs qualifies; count the others by locating each maximal run of at least three adjacent chosen chairs at its clockwise start. Any such subset contains a block of four consecutive chairs that is empty-chosen-chosen-chosen. There are 1010 positions for this block, and the remaining 66 chairs are free, giving 1026=640.10 \cdot 2^6 = 640.

This counts once for each maximal run of length at least 3.3. Two such runs require at least 3+33 + 3 chosen chairs plus two gaps, so three runs are impossible, and subsets with exactly two runs are counted twice. To have two runs, place two disjoint empty-chosen-chosen-chosen blocks: 1032=15\frac{10 \cdot 3}{2} = 15 ways (the second block fits in 33 positions among the remaining 66 chairs), with the last 22 chairs free, for 1522=6015 \cdot 2^2 = 60 subsets.

The total is 1+64060=581.1 + 640 - 60 = 581.

10.

Sea zz un número complejo con z=2014.|z| = 2014. Sea PP el polígono en el plano complejo cuyos vértices son zz y todo ww tal que 1z+w=1z+1w.\frac{1}{z+w} = \frac{1}{z} + \frac{1}{w}. Entonces el área encerrada por PP se puede escribir en la forma n3,n\sqrt{3}, donde nn es un entero. Halla el residuo cuando nn se divide entre 1000.1000.

Let zz be a complex number with z=2014.|z| = 2014. Let PP be the polygon in the complex plane whose vertices are zz and every ww such that 1z+w=1z+1w.\frac{1}{z+w} = \frac{1}{z} + \frac{1}{w}. Then the area enclosed by PP can be written in the form n3,n\sqrt{3}, where nn is an integer. Find the remainder when nn is divided by 1000.1000.

Respuesta: 147
Solución:

Multiplicar 1z+w=1z+1w\frac{1}{z+w} = \frac{1}{z} + \frac{1}{w} por zw(z+w)zw(z+w) da zw=(z+w)2,zw = (z+w)^2, es decir z2+zw+w2=0.z^2 + zw + w^2 = 0. Multiplicar por zwz - w produce z3w3=0,z^3 - w^3 = 0, así que w=ωzw = \omega z o w=ω2z,w = \omega^2 z, donde ω\omega es una raíz cúbica primitiva de la unidad (y ambas satisfacen efectivamente la ecuación original).

Por tanto PP es el triángulo equilátero con vértices z,z, ωz,\omega z, ω2z,\omega^2 z, inscrito en el círculo de radio 2014.2014. Su área es 334(2014)2=3100723,\frac{3\sqrt{3}}{4}\,(2014)^2 = 3 \cdot 1007^2 \sqrt{3}, así que n=310072=3042147.n = 3 \cdot 1007^2 = 3042147.

El residuo cuando nn se divide entre 10001000 es 147.147.

Multiplying 1z+w=1z+1w\frac{1}{z+w} = \frac{1}{z} + \frac{1}{w} by zw(z+w)zw(z+w) gives zw=(z+w)2,zw = (z+w)^2, i.e. z2+zw+w2=0.z^2 + zw + w^2 = 0. Multiplying by zwz - w yields z3w3=0,z^3 - w^3 = 0, so w=ωzw = \omega z or w=ω2z,w = \omega^2 z, where ω\omega is a primitive cube root of unity (and both indeed satisfy the original equation).

Thus PP is the equilateral triangle with vertices z,z, ωz,\omega z, ω2z,\omega^2 z, inscribed in the circle of radius 2014.2014. Its area is 334(2014)2=3100723,\frac{3\sqrt{3}}{4}\,(2014)^2 = 3 \cdot 1007^2 \sqrt{3}, so n=310072=3042147.n = 3 \cdot 1007^2 = 3042147.

The remainder when nn is divided by 10001000 is 147.147.

11.

En RED,\triangle RED, RD=1,RD = 1, DRE=75\angle DRE = 75^\circ y RED=45.\angle RED = 45^\circ. Sea MM el punto medio del segmento RD.\overline{RD}. El punto CC está sobre el lado ED\overline{ED} tal que RCEM.\overline{RC} \perp \overline{EM}. Extiende el segmento DE\overline{DE} a través de EE hasta el punto AA tal que CA=AR.CA = AR. Entonces AE=abc,AE = \frac{a - \sqrt{b}}{c}, donde aa y cc son enteros positivos primos entre sí, y bb es un entero positivo. Halla a+b+c.a + b + c.

In RED,\triangle RED, RD=1,RD = 1, DRE=75\angle DRE = 75^\circ and RED=45.\angle RED = 45^\circ. Let MM be the midpoint of segment RD.\overline{RD}. Point CC lies on side ED\overline{ED} such that RCEM.\overline{RC} \perp \overline{EM}. Extend segment DE\overline{DE} through EE to point AA such that CA=AR.CA = AR. Then AE=abc,AE = \frac{a - \sqrt{b}}{c}, where aa and cc are relatively prime positive integers, and bb is a positive integer. Find a+b+c.a + b + c.

Respuesta: 56

Nivel de dificultad: 3060

Solución:

Como RDE=1807545\angle RDE = 180^\circ - 75^\circ - 45^\circ =60,= 60^\circ, coloca D=(0,0)D = (0,0) con EE sobre el eje xx positivo, de modo que R=(12,32).R = \left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}\right). La ley de senos da DE=sin75sin45=3+12,DE = \frac{\sin 75^\circ}{\sin 45^\circ} = \frac{\sqrt{3}+1}{2}, y M=(14,34).M = \left(\frac{1}{4}, \frac{\sqrt{3}}{4}\right).

La pendiente de EMEM es 3/4143+12=31+23,\frac{\sqrt{3}/4}{\frac{1}{4} - \frac{\sqrt{3}+1}{2}} = \frac{-\sqrt{3}}{1 + 2\sqrt{3}}, así que la recta RCRC tiene pendiente 1+233.\frac{1 + 2\sqrt{3}}{\sqrt{3}}. Descender desde RR en 32\frac{\sqrt{3}}{2} hasta el eje xx nos mueve hacia la izquierda en 3/21+23=63322,\frac{3/2}{1 + 2\sqrt{3}} = \frac{6\sqrt{3} - 3}{22}, así que C=(c,0)C = (c, 0) con c=1263322=73311.c = \frac{1}{2} - \frac{6\sqrt{3} - 3}{22} = \frac{7 - 3\sqrt{3}}{11}.

Para A=(t,0),A = (t, 0), la condición CA=ARCA = AR se escribe (tc)2=(t12)2+34,(t - c)^2 = \left(t - \frac{1}{2}\right)^2 + \frac{3}{4}, que es lineal en t:t: t=1c212c=9+4311.t = \frac{1 - c^2}{1 - 2c} = \frac{9 + 4\sqrt{3}}{11}. Entonces AE=t3+12=18+831131122=73322=72722, \begin{aligned} AE &= t - \frac{\sqrt{3}+1}{2} \\ &= \frac{18 + 8\sqrt{3} - 11\sqrt{3} - 11}{22} \\ &= \frac{7 - 3\sqrt{3}}{22} = \frac{7 - \sqrt{27}}{22}, \end{aligned} así que a+b+c=7+27+22=56.a + b + c = 7 + 27 + 22 = 56.

Since RDE=1807545\angle RDE = 180^\circ - 75^\circ - 45^\circ =60,= 60^\circ, place D=(0,0)D = (0,0) with EE on the positive xx-axis, so R=(12,32).R = \left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}\right). The law of sines gives DE=sin75sin45=3+12,DE = \frac{\sin 75^\circ}{\sin 45^\circ} = \frac{\sqrt{3}+1}{2}, and M=(14,34).M = \left(\frac{1}{4}, \frac{\sqrt{3}}{4}\right).

The slope of EMEM is 3/4143+12=31+23,\frac{\sqrt{3}/4}{\frac{1}{4} - \frac{\sqrt{3}+1}{2}} = \frac{-\sqrt{3}}{1 + 2\sqrt{3}}, so line RCRC has slope 1+233.\frac{1 + 2\sqrt{3}}{\sqrt{3}}. Descending from RR by 32\frac{\sqrt{3}}{2} to the xx-axis moves us left by 3/21+23=63322,\frac{3/2}{1 + 2\sqrt{3}} = \frac{6\sqrt{3} - 3}{22}, so C=(c,0)C = (c, 0) with c=1263322=73311.c = \frac{1}{2} - \frac{6\sqrt{3} - 3}{22} = \frac{7 - 3\sqrt{3}}{11}.

For A=(t,0),A = (t, 0), the condition CA=ARCA = AR reads (tc)2=(t12)2+34,(t - c)^2 = \left(t - \frac{1}{2}\right)^2 + \frac{3}{4}, which is linear in t:t: t=1c212c=9+4311.t = \frac{1 - c^2}{1 - 2c} = \frac{9 + 4\sqrt{3}}{11}. Then AE=t3+12=18+831131122=73322=72722, \begin{aligned} AE &= t - \frac{\sqrt{3}+1}{2} \\ &= \frac{18 + 8\sqrt{3} - 11\sqrt{3} - 11}{22} \\ &= \frac{7 - 3\sqrt{3}}{22} = \frac{7 - \sqrt{27}}{22}, \end{aligned} so a+b+c=7+27+22=56.a + b + c = 7 + 27 + 22 = 56.

12.

Supón que los ángulos de ABC\triangle ABC satisfacen cos(3A)+cos(3B)\cos(3A) + \cos(3B) +cos(3C)=1.+ \cos(3C) = 1. Dos lados del triángulo tienen longitudes 1010 y 13.13. Existe un entero positivo mm tal que la máxima longitud posible para el lado restante de ABC\triangle ABC es m.\sqrt{m}. Halla m.m.

Suppose that the angles of ABC\triangle ABC satisfy cos(3A)+cos(3B)\cos(3A) + \cos(3B) +cos(3C)=1.+ \cos(3C) = 1. Two sides of the triangle have lengths 1010 and 13.13. There is a positive integer mm so that the maximum possible length for the remaining side of ABC\triangle ABC is m.\sqrt{m}. Find m.m.

Respuesta: 399
Solución:

Usando 1cos3A=2sin23A21 - \cos 3A = 2\sin^2\frac{3A}{2} y cos3B+cos3C=\cos 3B + \cos 3C = 2cos3(B+C)2cos3(BC)2,2\cos\frac{3(B+C)}{2}\cos\frac{3(B-C)}{2}, junto con 3(B+C)2=2703A2\frac{3(B+C)}{2} = 270^\circ - \frac{3A}{2} de modo que cos3(B+C)2=sin3A2,\cos\frac{3(B+C)}{2} = -\sin\frac{3A}{2}, la condición se convierte en 0=2sin3A2(sin3A2+cos3(BC)2)=2sin3A2(cos3(BC)2cos3(B+C)2)=4sin3A2sin3B2sin3C2. \begin{aligned} 0 &= 2\sin\tfrac{3A}{2} \\ &\quad {}\cdot \left(\sin\tfrac{3A}{2} + \cos\tfrac{3(B-C)}{2}\right) \\ &= 2\sin\tfrac{3A}{2} \\ &\quad {}\cdot \left(\cos\tfrac{3(B-C)}{2} - \cos\tfrac{3(B+C)}{2}\right) \\ &= 4\sin\tfrac{3A}{2}\sin\tfrac{3B}{2}\sin\tfrac{3C}{2}. \end{aligned}

Para un ángulo XX de un triángulo, 3X2\frac{3X}{2} está estrictamente entre 00^\circ y 270,270^\circ, así que sin3X2=0\sin\frac{3X}{2} = 0 exactamente cuando X=120.X = 120^\circ. Por tanto un ángulo del triángulo es 120.120^\circ.

El lado restante es el más largo cuando el ángulo de 120120^\circ se sitúa entre los lados de longitudes 1010 y 1313 (si 120120^\circ estuviera opuesto a uno de ellos, el lado restante sería más corto que ese lado). Por la ley de cosenos su longitud es 102+132+1013=399,\sqrt{10^2 + 13^2 + 10 \cdot 13} = \sqrt{399}, así que m=399.m = 399.

Using 1cos3A=2sin23A21 - \cos 3A = 2\sin^2\frac{3A}{2} and cos3B+cos3C=\cos 3B + \cos 3C = 2cos3(B+C)2cos3(BC)2,2\cos\frac{3(B+C)}{2}\cos\frac{3(B-C)}{2}, together with 3(B+C)2=2703A2\frac{3(B+C)}{2} = 270^\circ - \frac{3A}{2} so that cos3(B+C)2=sin3A2,\cos\frac{3(B+C)}{2} = -\sin\frac{3A}{2}, the condition becomes 0=2sin3A2(sin3A2+cos3(BC)2)=2sin3A2(cos3(BC)2cos3(B+C)2)=4sin3A2sin3B2sin3C2. \begin{aligned} 0 &= 2\sin\tfrac{3A}{2} \\ &\quad {}\cdot \left(\sin\tfrac{3A}{2} + \cos\tfrac{3(B-C)}{2}\right) \\ &= 2\sin\tfrac{3A}{2} \\ &\quad {}\cdot \left(\cos\tfrac{3(B-C)}{2} - \cos\tfrac{3(B+C)}{2}\right) \\ &= 4\sin\tfrac{3A}{2}\sin\tfrac{3B}{2}\sin\tfrac{3C}{2}. \end{aligned}

For an angle XX of a triangle, 3X2\frac{3X}{2} lies strictly between 00^\circ and 270,270^\circ, so sin3X2=0\sin\frac{3X}{2} = 0 exactly when X=120.X = 120^\circ. Hence one angle of the triangle is 120.120^\circ.

The remaining side is longest when the 120120^\circ angle sits between the sides of lengths 1010 and 1313 (if 120120^\circ were opposite one of them, the remaining side would be shorter than that side). By the law of cosines its length is 102+132+1013=399,\sqrt{10^2 + 13^2 + 10 \cdot 13} = \sqrt{399}, so m=399.m = 399.

13.

Diez adultos entran en una habitación, se quitan los zapatos y arrojan sus zapatos a un montón. Después, un niño empareja al azar cada zapato izquierdo con un zapato derecho sin tener en cuenta qué zapatos van juntos. La probabilidad de que, para todo entero positivo k<5,k \lt 5, ninguna colección de kk pares formados por el niño contenga los zapatos de exactamente kk de los adultos es mn,\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí. Halla m+n.m + n.

Ten adults enter a room, remove their shoes, and toss their shoes into a pile. Later, a child randomly pairs each left shoe with a right shoe without regard to which shoes belong together. The probability that for every positive integer k<5,k \lt 5, no collection of kk pairs made by the child contains the shoes from exactly kk of the adults is mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. Find m+n.m + n.

Respuesta: 28

Nivel de dificultad: 3060

Solución:

El emparejamiento del niño hace corresponder el zapato izquierdo jj con el zapato derecho π(j)\pi(j) para una permutación uniformemente aleatoria π\pi de {1,,10}.\{1, \ldots, 10\}. Una colección de kk pares usa kk zapatos izquierdos y kk derechos, así que involucra exactamente kk adultos precisamente cuando los índices de esos adultos son cerrados bajo π\pi, es decir, cuando la colección es una unión de ciclos de π.\pi. Por tanto la condición dice que π\pi no tiene ningún ciclo de longitud menor que 5.5.

Las longitudes de los ciclos deben partir 1010 en partes de tamaño al menos 5:5: o bien un 1010-ciclo o bien dos 55-ciclos. Hay 9!9! ciclos de diez, y 12(105)(4!)2=9!5\frac{1}{2}\binom{10}{5}(4!)^2 = \frac{9!}{5} permutaciones que son productos de dos 55-ciclos.

La probabilidad es 9!+159!10!=1+1510=325,\frac{9! + \frac{1}{5} \cdot 9!}{10!} = \frac{1 + \frac{1}{5}}{10} = \frac{3}{25}, así que m+n=3+25=28.m + n = 3 + 25 = 28.

The child's pairing matches left shoe jj with right shoe π(j)\pi(j) for a uniformly random permutation π\pi of {1,,10}.\{1, \ldots, 10\}. A collection of kk pairs uses kk left and kk right shoes, so it involves exactly kk adults precisely when those adults' indices are closed under π\pi — that is, when the collection is a union of cycles of π.\pi. The condition therefore says π\pi has no cycle of length less than 5.5.

The cycle lengths must partition 1010 into parts of size at least 5:5: either one 1010-cycle or two 55-cycles. There are 9!9! ten-cycles, and 12(105)(4!)2=9!5\frac{1}{2}\binom{10}{5}(4!)^2 = \frac{9!}{5} permutations that are products of two 55-cycles.

The probability is 9!+159!10!=1+1510=325,\frac{9! + \frac{1}{5} \cdot 9!}{10!} = \frac{1 + \frac{1}{5}}{10} = \frac{3}{25}, so m+n=3+25=28.m + n = 3 + 25 = 28.

14.

En ABC,\triangle ABC, AB=10,AB = 10, A=30,\angle A = 30^\circ, y C=45.\angle C = 45^\circ. Sean H,H, D,D, y MM puntos sobre la recta BC\overline{BC} tales que AHBC,\overline{AH} \perp \overline{BC}, BAD=CAD,\angle BAD = \angle CAD, y BM=CM.BM = CM. El punto NN es el punto medio del segmento HM,\overline{HM}, y el punto PP está sobre el rayo ADAD tal que PNBC.\overline{PN} \perp \overline{BC}. Entonces AP2=mn,AP^2 = \frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí. Halla m+n.m + n.

In ABC,\triangle ABC, AB=10,AB = 10, A=30,\angle A = 30^\circ, and C=45.\angle C = 45^\circ. Let H,H, D,D, and MM be points on line BC\overline{BC} such that AHBC,\overline{AH} \perp \overline{BC}, BAD=CAD,\angle BAD = \angle CAD, and BM=CM.BM = CM. Point NN is the midpoint of segment HM,\overline{HM}, and point PP is on ray ADAD such that PNBC.\overline{PN} \perp \overline{BC}. Then AP2=mn,AP^2 = \frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. Find m+n.m + n.

Respuesta: 77
Solución:

Sea que el rayo ADAD corte de nuevo al circuncírculo de ABC\triangle ABC en E.E. Como ADAD bisecta el ángulo A,A, el punto EE es el punto medio del arco BC,BC, así que EE está sobre la mediatriz de BC\overline{BC} y se proyecta sobre la recta BCBC en M.M. Las proyecciones de los puntos colineales A,A, P,P, EE sobre la recta BCBC son H,H, N,N, M,M, y la proyección conserva las razones a lo largo de una recta; como NN es el punto medio de HM,\overline{HM}, el punto PP es el punto medio de AE.\overline{AE}.

Aquí B=105,\angle B = 105^\circ, y CBE=CAE=15\angle CBE = \angle CAE = 15^\circ (ambos subtienden el arco CECE), así que ABE=120.\angle ABE = 120^\circ. Además AEB=ACB=45\angle AEB = \angle ACB = 45^\circ (ambos subtienden el arco ABAB). La ley de senos en ABE\triangle ABE da AE=ABsinABEsinAEB=10sin120sin45=56. \begin{aligned} AE &= AB \cdot \frac{\sin \angle ABE}{\sin \angle AEB} \\ &= 10 \cdot \frac{\sin 120^\circ}{\sin 45^\circ} \\ &= 5\sqrt{6}. \end{aligned}

Por tanto AP=12AE=562,AP = \frac{1}{2} AE = \frac{5\sqrt{6}}{2}, así que AP2=752AP^2 = \frac{75}{2} y m+n=75+2=77.m + n = 75 + 2 = 77.

Let ray ADAD meet the circumcircle of ABC\triangle ABC again at E.E. Since ADAD bisects angle A,A, the point EE is the midpoint of arc BC,BC, so EE lies on the perpendicular bisector of BC\overline{BC} and projects onto line BCBC at M.M. The projections of the collinear points A,A, P,P, EE onto line BCBC are H,H, N,N, M,M, and projection preserves ratios along a line; since NN is the midpoint of HM,\overline{HM}, point PP is the midpoint of AE.\overline{AE}.

Here B=105,\angle B = 105^\circ, and CBE=CAE=15\angle CBE = \angle CAE = 15^\circ (both subtend arc CECE), so ABE=120.\angle ABE = 120^\circ. Also AEB=ACB=45\angle AEB = \angle ACB = 45^\circ (both subtend arc ABAB). The law of sines in ABE\triangle ABE gives AE=ABsinABEsinAEB=10sin120sin45=56. \begin{aligned} AE &= AB \cdot \frac{\sin \angle ABE}{\sin \angle AEB} \\ &= 10 \cdot \frac{\sin 120^\circ}{\sin 45^\circ} \\ &= 5\sqrt{6}. \end{aligned}

Therefore AP=12AE=562,AP = \frac{1}{2} AE = \frac{5\sqrt{6}}{2}, so AP2=752AP^2 = \frac{75}{2} and m+n=75+2=77.m + n = 75 + 2 = 77.

15.

Para cualquier entero k1,k \ge 1, sea p(k)p(k) el menor primo que no divide a k.k. Define la función entera X(k)X(k) como el producto de todos los primos menores que p(k)p(k) si p(k)>2,p(k) \gt 2, y X(k)=1X(k) = 1 si p(k)=2.p(k) = 2. Sea {xn}\{x_n\} la sucesión definida por x0=1,x_0 = 1, y xn+1X(xn)=xnp(xn)x_{n+1} X(x_n) = x_n p(x_n) para n0.n \ge 0. Halla el menor entero positivo tt tal que xt=2090.x_t = 2090.

For any integer k1,k \ge 1, let p(k)p(k) be the smallest prime which does not divide k.k. Define the integer function X(k)X(k) to be the product of all primes less than p(k)p(k) if p(k)>2,p(k) \gt 2, and X(k)=1X(k) = 1 if p(k)=2.p(k) = 2. Let {xn}\{x_n\} be the sequence defined by x0=1,x_0 = 1, and xn+1X(xn)=xnp(xn)x_{n+1} X(x_n) = x_n p(x_n) for n0.n \ge 0. Find the smallest positive integer tt such that xt=2090.x_t = 2090.

Respuesta: 149
Solución:

Enumera los primos en orden como ρ0=2,\rho_0 = 2, ρ1=3,\rho_1 = 3, ρ2=5,.\rho_2 = 5, \ldots. Cada xnx_n es libre de cuadrados, así que queda descrito por el conjunto de primos que lo dividen, y afirmamos que este conjunto codifica nn en binario: si n=idi2in = \sum_i d_i 2^i con di{0,1},d_i \in \{0, 1\}, entonces xn=iρidi.x_n = \prod_i \rho_i^{d_i}.

En efecto, supón que xn=iρidix_n = \prod_i \rho_i^{d_i} y sea jj el menor índice con dj=0.d_j = 0. Entonces p(xn)=ρj,p(x_n) = \rho_j, y X(xn)=ρ0ρ1ρj1X(x_n) = \rho_0 \rho_1 \cdots \rho_{j-1} es exactamente el producto de los primos de los bits 11 finales (con X(xn)=1X(x_n) = 1 cuando j=0j = 0). Así xn+1=xnρjρ0ρ1ρj1x_{n+1} = \frac{x_n \, \rho_j}{\rho_0 \rho_1 \cdots \rho_{j-1}} elimina los unos finales e inserta ρj\rho_j, que es precisamente sumar 11 en binario. Como x0=1x_0 = 1 corresponde a 0,0, la inducción demuestra la afirmación.

Ahora 2090=251119=ρ0ρ2ρ4ρ7,2090 = 2 \cdot 5 \cdot 11 \cdot 19 = \rho_0 \rho_2 \rho_4 \rho_7, que corresponde a dígitos binarios en las posiciones 0,0, 2,2, 4,4, 7.7. Por tanto t=20+22+24+27=149.t = 2^0 + 2^2 + 2^4 + 2^7 = 149.

List the primes in order as ρ0=2,\rho_0 = 2, ρ1=3,\rho_1 = 3, ρ2=5,.\rho_2 = 5, \ldots. Every xnx_n is squarefree, so it is described by the set of primes dividing it, and we claim this set encodes nn in binary: if n=idi2in = \sum_i d_i 2^i with di{0,1},d_i \in \{0, 1\}, then xn=iρidi.x_n = \prod_i \rho_i^{d_i}.

Indeed, suppose xn=iρidix_n = \prod_i \rho_i^{d_i} and let jj be the smallest index with dj=0.d_j = 0. Then p(xn)=ρj,p(x_n) = \rho_j, and X(xn)=ρ0ρ1ρj1X(x_n) = \rho_0 \rho_1 \cdots \rho_{j-1} is exactly the product of the primes for the trailing 11-bits (with X(xn)=1X(x_n) = 1 when j=0j = 0). So xn+1=xnρjρ0ρ1ρj1x_{n+1} = \frac{x_n \, \rho_j}{\rho_0 \rho_1 \cdots \rho_{j-1}} removes the trailing ones and inserts ρj\rho_j — precisely adding 11 in binary. Since x0=1x_0 = 1 corresponds to 0,0, induction proves the claim.

Now 2090=251119=ρ0ρ2ρ4ρ7,2090 = 2 \cdot 5 \cdot 11 \cdot 19 = \rho_0 \rho_2 \rho_4 \rho_7, which corresponds to binary digits at positions 0,0, 2,2, 4,4, 7.7. Hence t=20+22+24+27=149.t = 2^0 + 2^2 + 2^4 + 2^7 = 149.