Question

Se eligen dos números reales $a$ y $b$ independientemente y de manera uniforme al azar del intervalo $(0, 75).$ Sean $O$ y $P$ dos puntos en el plano con $OP = 200.$ Sean $Q$ y $R$ puntos en el mismo lado de la recta $OP$ tales que las medidas en grados de $\angle POQ$ y $\angle POR$ son $a$ y $b,$ respectivamente, y $\angle OQP$ y $\angle ORP$ son ambos ángulos rectos. La probabilidad de que $QR \le 100$ es igual a $\frac{m}{n},$ donde $m$ y $n$ son enteros positivos primos entre sí. Halla $m + n.$

Two real numbers $a$ and $b$ are chosen independently and uniformly at random from the interval $(0, 75).$ Let $O$ and $P$ be two points in the plane with $OP = 200.$ Let $Q$ and $R$ be points on the same side of line $OP$ such that the degree measures of $\angle POQ$ and $\angle POR$ are $a$ and $b,$ respectively, and $\angle OQP$ and $\angle ORP$ are both right angles. The probability that $QR \le 100$ is equal to $\frac{m}{n},$ where $m$ and $n$ are relatively prime positive integers. Find $m + n.$

Respuesta

Solución:

Como $\angle OQP = \angle ORP = 90^\circ,$ tanto $Q$ como $R$ están sobre la circunferencia de diámetro $\overline{OP},$ cuyo radio es $100.$ El ángulo $\angle QOR = |a - b|$ es un ángulo inscrito en esta circunferencia, así que la cuerda satisface $QR = 2 \cdot 100 \cdot \sin|a - b|.$ Como $|a - b| \lt 75^\circ,$ la condición $QR \le 100,$ es decir $\sin|a - b| \le \frac{1}{2},$ equivale a $|a - b| \le 30.$

En el cuadrado $75 \times 75$ de pares $(a, b)$ igualmente probables, la región $|a - b| \gt 30$ consta de dos triángulos rectángulos con catetos $75 - 30 = 45,$ así que la probabilidad es $1 - \frac{45^2}{75^2} = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25}.$

Por lo tanto $m + n = 16 + 25 = 41.$

Since $\angle OQP = \angle ORP = 90^\circ,$ both $Q$ and $R$ lie on the circle with diameter $\overline{OP},$ whose radius is $100.$ The angle $\angle QOR = |a - b|$ is an inscribed angle in this circle, so the chord satisfies $QR = 2 \cdot 100 \cdot \sin|a - b|.$ Because $|a - b| \lt 75^\circ,$ the condition $QR \le 100,$ i.e. $\sin|a - b| \le \frac{1}{2},$ is equivalent to $|a - b| \le 30.$

In the $75 \times 75$ square of equally likely pairs $(a, b),$ the region $|a - b| \gt 30$ consists of two right triangles with legs $75 - 30 = 45,$ so the probability is $1 - \frac{45^2}{75^2} = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25}.$

Therefore $m + n = 16 + 25 = 41.$

2017 AIME I Problema 8

Solución:

El Problema 8 en otros años