Question

Se elige un número real $a$ al azar y de manera uniforme del intervalo $[-20, 18].$ La probabilidad de que las raíces del polinomio $\begin{aligned} &x^4 + 2ax^3 + (2a - 2)x^2 \\ &\quad {}+ (-4a + 3)x - 2 \end{aligned}$ sean todas reales se puede escribir en la forma $\frac{m}{n},$ donde $m$ y $n$ son enteros positivos primos entre sí. Halla $m + n.$

A real number $a$ is chosen randomly and uniformly from the interval $[-20, 18].$ The probability that the roots of the polynomial $\begin{aligned} &x^4 + 2ax^3 + (2a - 2)x^2 \\ &\quad {}+ (-4a + 3)x - 2 \end{aligned}$ are all real can be written in the form $\frac{m}{n},$ where $m$ and $n$ are relatively prime positive integers. Find $m + n.$

Respuesta

Solución:

Agrupa los términos según si contienen $a:$ $\begin{aligned} &(x^4 - 2x^2 + 3x - 2) \\ &\quad {}+ 2a(x^3 + x^2 - 2x) \\ &= (x - 1)(x + 2)(x^2 - x + 1) \\ &\quad {}+ 2ax(x - 1)(x + 2), \end{aligned}$ de modo que el polinomio se factoriza como $(x - 1)(x + 2)$ $\cdot \left(x^2 + (2a - 1)x + 1\right).$

Las cuatro raíces son reales exactamente cuando el factor cuadrático tiene raíces reales, es decir, cuando $(2a - 1)^2 - 4 \ge 0,$ lo que significa $a \le -\frac{1}{2}$ o $a \ge \frac{3}{2}.$ El intervalo excluido $\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{2}\right)$ tiene longitud $2$ dentro de $[-20, 18],$ que tiene longitud $38,$ así que la probabilidad es $\frac{36}{38} = \frac{18}{19}.$ La suma pedida es $18 + 19 = 37.$

Group the terms by whether they involve $a:$ $\begin{aligned} &(x^4 - 2x^2 + 3x - 2) \\ &\quad {}+ 2a(x^3 + x^2 - 2x) \\ &= (x - 1)(x + 2)(x^2 - x + 1) \\ &\quad {}+ 2ax(x - 1)(x + 2), \end{aligned}$ so the polynomial factors as $(x - 1)(x + 2)$ $\cdot \left(x^2 + (2a - 1)x + 1\right).$

All four roots are real exactly when the quadratic factor has real roots, i.e. when $(2a - 1)^2 - 4 \ge 0,$ which means $a \le -\frac{1}{2}$ or $a \ge \frac{3}{2}.$ The excluded interval $\left(-\frac{1}{2}, \frac{3}{2}\right)$ has length $2$ inside $[-20, 18],$ which has length $38,$ so the probability is $\frac{36}{38} = \frac{18}{19}.$ The requested sum is $18 + 19 = 37.$

2018 AIME II Problema 6

Solución:

El Problema 6 en otros años