2016 AIME II Problema 15

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 15 del 2016 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2016 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:Desigualdad de Cauchy-Schwarzdesigualdadmanipulación algebraica

Nivel de dificultad: 3500

15.

Para 1i2151 \le i \le 215 sea ai=12ia_i = \frac{1}{2^i} y a216=12215.a_{216} = \frac{1}{2^{215}}. Sean x1,x2,,x216x_1, x_2, \ldots, x_{216} números reales positivos tales que i=1216xi=1\sum_{i=1}^{216} x_i = 1 y 1i<j216xixj=107215+i=1216aixi22(1ai). \begin{aligned} &\sum_{1 \le i \lt j \le 216} x_i x_j \\ &= \frac{107}{215} \\ &\quad {}+ \sum_{i=1}^{216} \frac{a_i x_i^2}{2(1 - a_i)}. \end{aligned} El máximo valor posible de x2=mn,x_2 = \frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí. Halla m+n.m + n.

For 1i2151 \le i \le 215 let ai=12ia_i = \frac{1}{2^i} and a216=12215.a_{216} = \frac{1}{2^{215}}. Let x1,x2,,x216x_1, x_2, \ldots, x_{216} be positive real numbers such that i=1216xi=1\sum_{i=1}^{216} x_i = 1 and 1i<j216xixj=107215+i=1216aixi22(1ai). \begin{aligned} &\sum_{1 \le i \lt j \le 216} x_i x_j \\ &= \frac{107}{215} \\ &\quad {}+ \sum_{i=1}^{216} \frac{a_i x_i^2}{2(1 - a_i)}. \end{aligned} The maximum possible value of x2=mn,x_2 = \frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. Find m+n.m + n.

Solución:

Como xi=1,\sum x_i = 1, tenemos 2i<jxixj=1xi2.2\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2. Duplicando la ecuación dada y reordenando, 1i=1216xi2=214215+i=1216aixi21ai, \begin{aligned} 1 - \sum_{i=1}^{216} x_i^2 &= \frac{214}{215} \\ &\quad {}+ \sum_{i=1}^{216} \frac{a_i x_i^2}{1 - a_i}, \end{aligned} así que 1215=i=1216(1+ai1ai)xi2=i=1216xi21ai. \begin{aligned} \frac{1}{215} &= \sum_{i=1}^{216}\left(1 + \frac{a_i}{1 - a_i}\right)x_i^2 \\ &= \sum_{i=1}^{216} \frac{x_i^2}{1 - a_i}. \end{aligned}

Ahora ai=(12++12215)\sum a_i = \left(\frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{2^{215}}\right) +12215=1,+ \frac{1}{2^{215}} = 1, así que (1ai)=2161=215.\sum (1 - a_i) = 216 - 1 = 215. Por la desigualdad de Cauchy-Schwarz, 1=(i=1216xi)2(i=1216xi21ai)(i=1216(1ai))=1215215=1. \begin{aligned} 1 &= \left(\sum_{i=1}^{216} x_i\right)^2 \\ &\le \left(\sum_{i=1}^{216} \frac{x_i^2}{1 - a_i}\right) \\ &\quad {}\cdot \left(\sum_{i=1}^{216} (1 - a_i)\right) \\ &= \frac{1}{215} \cdot 215 = 1. \end{aligned}

Se cumple la igualdad, así que xix_i es proporcional a 1ai,1 - a_i, forzando xi=1ai215.x_i = \frac{1 - a_i}{215}. El único, y por tanto máximo, valor posible de x2x_2 es 114215=3860,\frac{1 - \frac{1}{4}}{215} = \frac{3}{860}, y m+n=3+860=863.m + n = 3 + 860 = 863.

Since xi=1,\sum x_i = 1, we have 2i<jxixj=1xi2.2\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2. Doubling the given equation and rearranging, 1i=1216xi2=214215+i=1216aixi21ai, \begin{aligned} 1 - \sum_{i=1}^{216} x_i^2 &= \frac{214}{215} \\ &\quad {}+ \sum_{i=1}^{216} \frac{a_i x_i^2}{1 - a_i}, \end{aligned} so 1215=i=1216(1+ai1ai)xi2=i=1216xi21ai. \begin{aligned} \frac{1}{215} &= \sum_{i=1}^{216}\left(1 + \frac{a_i}{1 - a_i}\right)x_i^2 \\ &= \sum_{i=1}^{216} \frac{x_i^2}{1 - a_i}. \end{aligned}

Now ai=(12++12215)\sum a_i = \left(\frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{2^{215}}\right) +12215=1,+ \frac{1}{2^{215}} = 1, so (1ai)=2161=215.\sum (1 - a_i) = 216 - 1 = 215. By the Cauchy-Schwarz inequality, 1=(i=1216xi)2(i=1216xi21ai)(i=1216(1ai))=1215215=1. \begin{aligned} 1 &= \left(\sum_{i=1}^{216} x_i\right)^2 \\ &\le \left(\sum_{i=1}^{216} \frac{x_i^2}{1 - a_i}\right) \\ &\quad {}\cdot \left(\sum_{i=1}^{216} (1 - a_i)\right) \\ &= \frac{1}{215} \cdot 215 = 1. \end{aligned}

Equality holds, so xix_i is proportional to 1ai,1 - a_i, forcing xi=1ai215.x_i = \frac{1 - a_i}{215}. The only, hence maximum, possible value of x2x_2 is 114215=3860,\frac{1 - \frac{1}{4}}{215} = \frac{3}{860}, and m+n=3+860=863.m + n = 3 + 860 = 863.

← Problema 14#14Examen completo

El Problema 15 en otros años