2015 AIME I Problema 14

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 14 del 2015 AIME I, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2015 AIME I, o revisar la clave de respuestas.

Todos los problemas se usan con el permiso legal oficial de la Mathematical Association of America (MAA).

Conceptos:funciones piso y techotrapecioanálisis por casosreconocimiento de patrones

Nivel de dificultad: 3500

14.

Para cada entero n2,n \ge 2, sea A(n)A(n) el área de la región del plano coordenado definida por las desigualdades 1x<n1 \le x \lt n y 0yxx,0 \le y \le x\lfloor\sqrt{x}\rfloor, donde x\lfloor\sqrt{x}\rfloor es el mayor entero que no excede a x.\sqrt{x}. Halla el número de valores de nn con 2n10002 \le n \le 1000 para los que A(n)A(n) es un entero.

For each integer n2,n \ge 2, let A(n)A(n) be the area of the region in the coordinate plane defined by the inequalities 1x<n1 \le x \lt n and 0yxx,0 \le y \le x\lfloor\sqrt{x}\rfloor, where x\lfloor\sqrt{x}\rfloor is the greatest integer not exceeding x.\sqrt{x}. Find the number of values of nn with 2n10002 \le n \le 1000 for which A(n)A(n) is an integer.

Solución:

En la franja mx<m+1m \le x \lt m + 1 tenemos x=k=m,\lfloor\sqrt{x}\rfloor = k = \lfloor\sqrt{m}\rfloor, así que la región por encima de ella es un trapecio bajo y=kxy = kx con área A(m+1)A(m)=(2m+1)k2:A(m+1) - A(m) = \frac{(2m+1)k}{2}: un entero cuando kk es par, un semientero cuando kk es impar. Por lo tanto a medida que nn crece en 1,1, la integralidad de A(n)A(n) no cambia mientras kk es par y se invierte en cada paso mientras kk es impar.

Considera el bloque de 2k+12k + 1 valores k2<n(k+1)2.k^2 \lt n \le (k+1)^2. Partiendo de A(1)=0,A(1) = 0, los estados de A(k2)A(k^2) se repiten con periodo 4:4: entero para k0,1k \equiv 0, 1 y no entero para k2,3(mod4)k \equiv 2, 3 \pmod 4 (un bloque impar invierte el estado un número impar de veces, un bloque par lo conserva). Contando los valores enteros de A(n)A(n) dentro de cada bloque: para k=4j3k = 4j - 3 el bloque alterna, empezando y terminando con no enteros, dando 4j3;4j - 3; para k=4j2k = 4j - 2 cada valor es no entero, dando 0;0; para k=4j1k = 4j - 1 alterna, empezando y terminando con enteros, dando 4j;4j; para k=4jk = 4j los 8j+18j + 1 valores son todos enteros.

Para j=1,,7,j = 1, \ldots, 7, cubriendo 2n292,2 \le n \le 29^2, los cuatro bloques aportan (4j3)+0+4j(4j - 3) + 0 + 4j +(8j+1)=16j2+ (8j + 1) = 16j - 2 enteros, sumando en total j=17(16j2)=434.\sum_{j=1}^{7}(16j - 2) = 434. Luego el bloque k=29k = 29 aporta 2929 enteros para 841<n900,841 \lt n \le 900, el bloque k=30k = 30 no aporta ninguno, y para k=31k = 31 la alternancia sobre 961<n1000961 \lt n \le 1000 empieza con un entero en n=962n = 962 y da 2020 más. El total es 434+29+20=483.434 + 29 + 20 = 483.

On the strip mx<m+1m \le x \lt m + 1 we have x=k=m,\lfloor\sqrt{x}\rfloor = k = \lfloor\sqrt{m}\rfloor, so the region above it is a trapezoid under y=kxy = kx with area A(m+1)A(m)=(2m+1)k2:A(m+1) - A(m) = \frac{(2m+1)k}{2}: an integer when kk is even, a half-integer when kk is odd. Hence as nn grows by 1,1, the integrality of A(n)A(n) is unchanged while kk is even and flips at every step while kk is odd.

Consider the block of 2k+12k + 1 values k2<n(k+1)2.k^2 \lt n \le (k+1)^2. Starting from A(1)=0,A(1) = 0, the statuses of A(k2)A(k^2) cycle with period 4:4: integer for k0,1k \equiv 0, 1 and non-integer for k2,3(mod4)k \equiv 2, 3 \pmod 4 (an odd block flips the status an odd number of times, an even block preserves it). Counting integer values of A(n)A(n) inside each block: for k=4j3k = 4j - 3 the block alternates, beginning and ending with non-integers, giving 4j3;4j - 3; for k=4j2k = 4j - 2 every value is a non-integer, giving 0;0; for k=4j1k = 4j - 1 it alternates, beginning and ending with integers, giving 4j;4j; for k=4jk = 4j all 8j+18j + 1 values are integers.

For j=1,,7,j = 1, \ldots, 7, covering 2n292,2 \le n \le 29^2, the four blocks contribute (4j3)+0+4j(4j - 3) + 0 + 4j +(8j+1)=16j2+ (8j + 1) = 16j - 2 integers, totaling j=17(16j2)=434.\sum_{j=1}^{7}(16j - 2) = 434. Then the block k=29k = 29 contributes 2929 integers for 841<n900,841 \lt n \le 900, the block k=30k = 30 contributes none, and for k=31k = 31 the alternation over 961<n1000961 \lt n \le 1000 begins with an integer at n=962n = 962 and gives 2020 more. The total is 434+29+20=483.434 + 29 + 20 = 483.

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