2016 AIME II Problema 15

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15.

Para 1≤i≤2151 \le i \le 215 sea ai=12ia_i = \frac{1}{2^i} y a216=12215.a_{216} = \frac{1}{2^{215}}. Sean x1,x_1, x2,x_2, …,\ldots, x216x_{216} números reales positivos tales que ∑i=1216xi=1\sum_{i=1}^{216} x_i = 1 y ∑1≤i<j≤216xixj=107215+∑i=1216aixi22(1−ai). \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 1≤i≤2151 \le i \le 215 let ai=12ia_i = \frac{1}{2^i} and a216=12215.a_{216} = \frac{1}{2^{215}}. Let x1,x_1, x2,x_2, …,\ldots, x216x_{216} be positive real numbers such that ∑i=1216xi=1\sum_{i=1}^{216} x_i = 1 and ∑1≤i<j≤216xixj=107215+∑i=1216aixi22(1−ai). \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.
Respuesta: 863
Conceptos:Desigualdad de Cauchy-Schwarzdesigualdadmanipulación algebraica
Nivel de dificultad: 3500
Pista pequeña:
Usa 2∑i<jxixj=1−∑xi22\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2 para convertir la condición en ∑xi21−ai=1215\sum \frac{x_i^2}{1 - a_i} = \frac{1}{215}
Use 2∑i<jxixj=1−∑xi22\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2 to turn the condition into ∑xi21−ai=1215\sum \frac{x_i^2}{1 - a_i} = \frac{1}{215}
Pista grande:
Como ∑(1−ai)=215,\sum (1 - a_i) = 215, Cauchy-Schwarz lo convierte en un caso de igualdad, forzando que xix_i sea proporcional a 1−ai1 - a_i
Since ∑(1−ai)=215,\sum (1 - a_i) = 215, Cauchy-Schwarz makes this an equality case, forcing xix_i proportional to 1−ai1 - a_i
Solución:
Como ∑xi=1,\sum x_i = 1, tenemos 2∑i<jxixj=1−∑xi2.2\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2. Duplicando la ecuación dada y reordenando, 1−∑i=1216xi2=214215+∑i=1216aixi21−ai, \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+ai1−ai)xi2=∑i=1216xi21−ai. \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 ∑(1−ai)=216−1=215.\sum (1 - a_i) = 216 - 1 = 215. Por la desigualdad de Cauchy-Schwarz, 1=(∑i=1216xi)2≤(∑i=1216xi21−ai)⋅(∑i=1216(1−ai))=1215⋅215=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 1−ai,1 - a_i, forzando xi=1−ai215.x_i = \frac{1 - a_i}{215}. El único, y por tanto máximo, valor posible de x2x_2 es 1−14215=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 2∑i<jxixj=1−∑xi2.2\sum_{i \lt j} x_i x_j = 1 - \sum x_i^2. Doubling the given equation and rearranging, 1−∑i=1216xi2=214215+∑i=1216aixi21−ai, \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+ai1−ai)xi2=∑i=1216xi21−ai. \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 ∑(1−ai)=216−1=215.\sum (1 - a_i) = 216 - 1 = 215. By the Cauchy-Schwarz inequality, 1=(∑i=1216xi)2≤(∑i=1216xi21−ai)⋅(∑i=1216(1−ai))=1215⋅215=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 1−ai,1 - a_i, forcing xi=1−ai215.x_i = \frac{1 - a_i}{215}. The only, hence maximum, possible value of x2x_2 is 1−14215=3860,\frac{1 - \frac{1}{4}}{215} = \frac{3}{860}, and m+n=3+860=863.m + n = 3 + 860 = 863.
Problema 14#14
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