Question

El triángulo $ABC_0$ tiene un ángulo recto en $C_0.$ Sus longitudes de lados son enteros positivos primos entre sí dos a dos, y su perímetro es $p.$ Sea $C_1$ el pie de la altura a $\overline{AB},$ y para $n \ge 2,$ sea $C_n$ el pie de la altura a $\overline{C_{n-2}B}$ en $\triangle C_{n-2}C_{n-1}B.$ La suma $\sum_{n=1}^{\infty} C_{n-1}C_n = 6p.$ Halla $p.$

Triangle $ABC_0$ has a right angle at $C_0.$ Its side lengths are pairwise relatively prime positive integers, and its perimeter is $p.$ Let $C_1$ be the foot of the altitude to $\overline{AB},$ and for $n \ge 2,$ let $C_n$ be the foot of the altitude to $\overline{C_{n-2}B}$ in $\triangle C_{n-2}C_{n-1}B.$ The sum $\sum_{n=1}^{\infty} C_{n-1}C_n = 6p.$ Find $p.$

Respuesta

Solución:

Sean $a = BC_0,$ $b = AC_0,$ y $c = AB.$ La altura da $C_0C_1 = \frac{ab}{c},$ y $\triangle C_0C_1B \sim \triangle AC_0B$ con razón $\frac{a}{c}.$ Cada altura posterior repite esta construcción en un triángulo reducido por $\frac{a}{c},$ así que los segmentos $C_{n-1}C_n$ forman una serie geométrica y $\begin{aligned} &\sum_{n=1}^{\infty} C_{n-1}C_n \\ &= \frac{ab/c}{1 - a/c} \\ &= \frac{ab}{c - a} \\ &= 6p = 6(a + b + c). \end{aligned}$

Como $b^2 = c^2 - a^2 = (c - a)(c + a),$ obtenemos $\begin{aligned} &(c - a) \\ &\quad {}\cdot (a + b + c) \\ &= (c - a)(c + a) \\ &\quad {}+ (c - a)b \\ &= b(b + c - a), \end{aligned}$ así que $ab = 6b(b + c - a),$ es decir $7a = 6b + 6c.$ Elevar al cuadrado $6c = 7a - 6b$ y usar $36c^2 = 36a^2 + 36b^2$ da $36a^2 = 49a^2 - 84ab,$ por tanto $13a = 84b.$

Como las longitudes de los lados son primas entre sí dos a dos, $a = 84$ y $b = 13,$ así que $c = \frac{7 \cdot 84 - 6 \cdot 13}{6} = 85,$ y en efecto $13^2 + 84^2 = 85^2.$ Entonces $p = 84 + 13 + 85 = 182$ (y $\frac{ab}{c - a} = \frac{84 \cdot 13}{1} = 1092 = 6p$ se comprueba).

Let $a = BC_0,$ $b = AC_0,$ and $c = AB.$ The altitude gives $C_0C_1 = \frac{ab}{c},$ and $\triangle C_0C_1B \sim \triangle AC_0B$ with ratio $\frac{a}{c}.$ Each later altitude repeats this construction in a triangle scaled by $\frac{a}{c},$ so the segments $C_{n-1}C_n$ form a geometric series and $\begin{aligned} &\sum_{n=1}^{\infty} C_{n-1}C_n \\ &= \frac{ab/c}{1 - a/c} \\ &= \frac{ab}{c - a} \\ &= 6p = 6(a + b + c). \end{aligned}$

Since $b^2 = c^2 - a^2 = (c - a)(c + a),$ we get $\begin{aligned} &(c - a) \\ &\quad {}\cdot (a + b + c) \\ &= (c - a)(c + a) \\ &\quad {}+ (c - a)b \\ &= b(b + c - a), \end{aligned}$ so $ab = 6b(b + c - a),$ that is $7a = 6b + 6c.$ Squaring $6c = 7a - 6b$ and using $36c^2 = 36a^2 + 36b^2$ gives $36a^2 = 49a^2 - 84ab,$ hence $13a = 84b.$

Because the side lengths are pairwise relatively prime, $a = 84$ and $b = 13,$ so $c = \frac{7 \cdot 84 - 6 \cdot 13}{6} = 85,$ and indeed $13^2 + 84^2 = 85^2.$ Then $p = 84 + 13 + 85 = 182$ (and $\frac{ab}{c - a} = \frac{84 \cdot 13}{1} = 1092 = 6p$ checks).

2016 AIME II Problema 5

Solución:

El Problema 5 en otros años