2015 AIME I Problema 13

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13.

Con todos los ángulos medidos en grados, el producto k=145csc2(2k1)=mn,\prod_{k=1}^{45} \csc^2(2k-1)^\circ = m^n, donde mm y nn son enteros mayores que 1.1. Halla m+n.m + n.

With all angles measured in degrees, the product k=145csc2(2k1)=mn,\prod_{k=1}^{45} \csc^2(2k-1)^\circ = m^n, where mm and nn are integers greater than 1.1. Find m+n.m + n.

Respuesta: 91
Conceptos:identidad trigonométricaemparejamiento y agrupación
Nivel de dificultad: 3370
Solución:

Sea P=sin1sin3sin89P = \sin 1^\circ \sin 3^\circ \cdots \sin 89^\circ y Q=sin2sin4sin88,Q = \sin 2^\circ \sin 4^\circ \cdots \sin 88^\circ, de modo que el producto buscado es 1P2.\frac{1}{P^2}. Entonces PQ=k=189sink,PQ = \prod_{k=1}^{89} \sin k^\circ, y multiplicando esto por sí mismo en orden inverso, usando sin(90k)=cosk,\sin(90 - k)^\circ = \cos k^\circ, da P2Q2=k=189sinkcosk.P^2Q^2 = \prod_{k=1}^{89} \sin k^\circ \cos k^\circ.

Multiplica por 2892^{89} y usa 2sinkcosk=sin2k:2\sin k^\circ \cos k^\circ = \sin 2k^\circ: 289P2Q2=k=189sin2k=(k=144sin2k)(k=4689sin2k)=QQ, \begin{aligned} 2^{89} P^2 Q^2 &= \prod_{k=1}^{89} \sin 2k^\circ \\ &= \left(\prod_{k=1}^{44} \sin 2k^\circ\right) \\ &\quad {}\cdot \left(\prod_{k=46}^{89} \sin 2k^\circ\right) \\ &= Q \cdot Q, \end{aligned} ya que sin90=1\sin 90^\circ = 1 y sin(180x)=sinx\sin(180 - x)^\circ = \sin x^\circ convierte la segunda mitad también en Q.Q.

Como Q0,Q \ne 0, se sigue que P2=289,P^2 = 2^{-89}, así que k=145csc2(2k1)=289.\prod_{k=1}^{45} \csc^2(2k-1)^\circ = 2^{89}. Como 8989 es primo, la única representación mnm^n con m,n>1m, n \gt 1 es m=2,m = 2, n=89,n = 89, y m+n=91.m + n = 91.

Let P=sin1sin3sin89P = \sin 1^\circ \sin 3^\circ \cdots \sin 89^\circ and Q=sin2sin4sin88,Q = \sin 2^\circ \sin 4^\circ \cdots \sin 88^\circ, so the desired product is 1P2.\frac{1}{P^2}. Then PQ=k=189sink,PQ = \prod_{k=1}^{89} \sin k^\circ, and multiplying this by itself in reverse order, using sin(90k)=cosk,\sin(90 - k)^\circ = \cos k^\circ, gives P2Q2=k=189sinkcosk.P^2Q^2 = \prod_{k=1}^{89} \sin k^\circ \cos k^\circ.

Multiply by 2892^{89} and use 2sinkcosk=sin2k:2\sin k^\circ \cos k^\circ = \sin 2k^\circ: 289P2Q2=k=189sin2k=(k=144sin2k)(k=4689sin2k)=QQ, \begin{aligned} 2^{89} P^2 Q^2 &= \prod_{k=1}^{89} \sin 2k^\circ \\ &= \left(\prod_{k=1}^{44} \sin 2k^\circ\right) \\ &\quad {}\cdot \left(\prod_{k=46}^{89} \sin 2k^\circ\right) \\ &= Q \cdot Q, \end{aligned} since sin90=1\sin 90^\circ = 1 and sin(180x)=sinx\sin(180 - x)^\circ = \sin x^\circ turns the second half into QQ as well.

Because Q0,Q \ne 0, it follows that P2=289,P^2 = 2^{-89}, so k=145csc2(2k1)=289.\prod_{k=1}^{45} \csc^2(2k-1)^\circ = 2^{89}. Since 8989 is prime, the only representation mnm^n with m,n>1m, n \gt 1 is m=2,m = 2, n=89,n = 89, and m+n=91.m + n = 91.

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