2016 AIME II Problema 9

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 9 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:sucesión aritméticasucesión geométricaaritmética modularanálisis por casos

Nivel de dificultad: 2920

9.

Las sucesiones de enteros positivos 1,a2,a3,1, a_2, a_3, \ldots y 1,b2,b3,1, b_2, b_3, \ldots son una sucesión aritmética creciente y una sucesión geométrica creciente, respectivamente. Sea cn=an+bn.c_n = a_n + b_n. Existe un entero kk tal que ck1=100c_{k-1} = 100 y ck+1=1000.c_{k+1} = 1000. Halla ck.c_k.

The sequences of positive integers 1,a2,a3,1, a_2, a_3, \ldots and 1,b2,b3,1, b_2, b_3, \ldots are an increasing arithmetic sequence and an increasing geometric sequence, respectively. Let cn=an+bn.c_n = a_n + b_n. There is an integer kk such that ck1=100c_{k-1} = 100 and ck+1=1000.c_{k+1} = 1000. Find ck.c_k.

Solución:

Escribe an=1+(n1)da_n = 1 + (n-1)d y bn=rn1b_n = r^{n-1} con enteros d1d \ge 1 y r2.r \ge 2. Como c1=2<100,c_1 = 2 \lt 100, tenemos k3,k \ge 3, y las dos condiciones dicen (k2)d+rk2=99,(k-2)d + r^{k-2} = 99, kd+rk=999.kd + r^k = 999.

Restando, 2d+rk3(r1)r(r+1)=900.2d + r^{k-3}(r-1)r(r+1) = 900. El producto de tres enteros consecutivos es divisible por 3,3, así que 32d,3 \mid 2d, por tanto 3d.3 \mid d. Entonces (k2)d+rk2=99(k-2)d + r^{k-2} = 99 obliga a 3rk2,3 \mid r^{k-2}, así que 3r.3 \mid r. Las cotas rk298r^{k-2} \le 98 y rk998r^k \le 998 dejan solo (r,k)=(3,3),(r, k) = (3, 3), (3,4),(3, 4), (3,5),(3, 5), (3,6),(3, 6), (6,3),(6, 3), (9,3).(9, 3).

Probando cada uno contra (k2)d=99rk2(k-2)d = 99 - r^{k-2} y kd=999rk,kd = 999 - r^k, solo (r,k)=(9,3)(r, k) = (9, 3) da un valor consistente, d=90.d = 90. Entonces c3=1+290+92=262.c_3 = 1 + 2 \cdot 90 + 9^2 = 262.

Write an=1+(n1)da_n = 1 + (n-1)d and bn=rn1b_n = r^{n-1} with integers d1d \ge 1 and r2.r \ge 2. Since c1=2<100,c_1 = 2 \lt 100, we have k3,k \ge 3, and the two conditions read (k2)d+rk2=99,(k-2)d + r^{k-2} = 99, kd+rk=999.kd + r^k = 999.

Subtracting, 2d+rk3(r1)r(r+1)=900.2d + r^{k-3}(r-1)r(r+1) = 900. The product of three consecutive integers is divisible by 3,3, so 32d,3 \mid 2d, hence 3d.3 \mid d. Then (k2)d+rk2=99(k-2)d + r^{k-2} = 99 forces 3rk2,3 \mid r^{k-2}, so 3r.3 \mid r. The bounds rk298r^{k-2} \le 98 and rk998r^k \le 998 leave only (r,k)=(3,3),(r, k) = (3, 3), (3,4),(3, 4), (3,5),(3, 5), (3,6),(3, 6), (6,3),(6, 3), (9,3).(9, 3).

Testing each against (k2)d=99rk2(k-2)d = 99 - r^{k-2} and kd=999rk,kd = 999 - r^k, only (r,k)=(9,3)(r, k) = (9, 3) gives a consistent value, d=90.d = 90. Then c3=1+290+92=262.c_3 = 1 + 2 \cdot 90 + 9^2 = 262.

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