2021 AIME I Problema 15

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15.

Sea SS el conjunto de enteros positivos kk tales que las dos parábolas y se intersecan en cuatro puntos distintos, y estos cuatro puntos están sobre un círculo de radio a lo sumo 21.21. Halle la suma del menor elemento de SS y el mayor elemento de S.S. y=x2ky = x^2 - k x=2(y20)2kx = 2(y - 20)^2 - k

Let SS be the set of positive integers kk such that the two parabolas y=x2ky = x^2 - k and x=2(y20)2kx = 2(y - 20)^2 - k intersect in four distinct points, and these four points lie on a circle with radius at most 21.21. Find the sum of the least element of SS and the greatest element of S.S.

Respuesta: 285
Conceptos:parábolacírculopolinomioacotación a casos límite
Nivel de dificultad: 3370
Solución:

Sumando la ecuación x2yk=0x^2 - y - k = 0 a 12\frac{1}{2} veces 2(y20)2xk=02(y - 20)^2 - x - k = 0 se obtiene una cónica que pasa por todos los puntos de intersección con coeficientes de x2x^2 y y2y^2 iguales: un círculo centrado en (14,412)\left(\frac{1}{4}, \frac{41}{2}\right) con radio al cuadrado 116+16814400+3k2\frac{1}{16} + \frac{1681}{4} - 400 + \frac{3k}{2} =32516+3k2.= \frac{325}{16} + \frac{3k}{2}. Así que siempre que existan cuatro puntos de intersección distintos, son concíclicos, y el radio es a lo sumo 2121 exactamente cuando 32516+3k2441,\frac{325}{16} + \frac{3k}{2} \le 441, es decir k280k \le 280 para enteros. x2+y212x41y+4003k2=0, \begin{aligned} &x^2 + y^2 - \tfrac{1}{2}x - 41y \\ &\quad {}+ 400 - \tfrac{3k}{2} = 0, \end{aligned}

Sustituyendo y=x2ky = x^2 - k en la segunda parábola se obtiene la cuártica f(x)=2(x2c)2xk=0f(x) = 2(x^2 - c)^2 - x - k = 0 donde c=k+20.c = k + 20. Para 1k4:1 \le k \le 4: si xkx \le -k entonces f(x)=2(x2c)2f(x) = 2(x^2 - c)^2 +(xk)>0,+ (-x - k) \gt 0, y si k<x0-k \lt x \le 0 entonces x2<16x^2 \lt 16 mientras que c21,c \ge 21, así que f(x)>225k>0;f(x) \gt 2 \cdot 25 - k \gt 0; por lo tanto no hay intersecciones con x0,x \le 0, y como f(x)=8x38cx1f'(x) = 8x^3 - 8cx - 1 tiene exactamente una raíz positiva, ff tiene a lo sumo (y, por f(0)>0,f(0) \gt 0, f(c)<0,f(\sqrt{c}) \lt 0, exactamente) dos raíces positivas. Así que k4k \le 4 falla. Para k5,k \ge 5, tenemos k2k+20,k^2 \ge k + 20, así que f(c)=ck0.f\left(-\sqrt{c}\right) = \sqrt{c} - k \le 0. con ff estrictamente decreciente ahí, mientras que (,c],(-\infty, -\sqrt{c}], f(x)=8x(x2c)1<0,f'(x) = 8x(x^2-c)-1 \lt 0, c-\sqrt{c} y k=5k=5 los cambios de signo producen cuatro raíces reales distintas. k=5,k=5, k>5,k \gt 5, f(0)=2c2k>0,f(0) = 2c^2-k \gt 0, (c,0).(-\sqrt{c},0). f(c)=ck<0f\left(\sqrt{c}\right) = -\sqrt{c}-k \lt 0 f(+)=+,f(+\infty)=+\infty, (0,c)(0,\sqrt{c}) (c,).(\sqrt{c},\infty).

Por lo tanto S={5,6,,280},S = \{5, 6, \ldots, 280\}, y la respuesta es 5+280=285.5 + 280 = 285.

Adding the equation x2yk=0x^2 - y - k = 0 to 12\frac{1}{2} times 2(y20)2xk=02(y - 20)^2 - x - k = 0 gives a conic through all intersection points with equal x2x^2 and y2y^2 coefficients: x2+y212x41y+4003k2=0, \begin{aligned} &x^2 + y^2 - \tfrac{1}{2}x - 41y \\ &\quad {}+ 400 - \tfrac{3k}{2} = 0, \end{aligned} a circle centered at (14,412)\left(\frac{1}{4}, \frac{41}{2}\right) with squared radius 116+16814400+3k2\frac{1}{16} + \frac{1681}{4} - 400 + \frac{3k}{2} =32516+3k2.= \frac{325}{16} + \frac{3k}{2}. So whenever four distinct intersection points exist, they are concyclic, and the radius is at most 2121 exactly when 32516+3k2441,\frac{325}{16} + \frac{3k}{2} \le 441, i.e. k280k \le 280 for integers.

Substituting y=x2ky = x^2 - k into the second parabola gives the quartic f(x)=2(x2c)2xk=0f(x) = 2(x^2 - c)^2 - x - k = 0 where c=k+20.c = k + 20. For 1k4:1 \le k \le 4: if xkx \le -k then f(x)=2(x2c)2f(x) = 2(x^2 - c)^2 +(xk)>0,+ (-x - k) \gt 0, and if k<x0-k \lt x \le 0 then x2<16x^2 \lt 16 while c21,c \ge 21, so f(x)>225k>0;f(x) \gt 2 \cdot 25 - k \gt 0; thus there are no intersections with x0,x \le 0, and since f(x)=8x38cx1f'(x) = 8x^3 - 8cx - 1 has exactly one positive root, ff has at most (and, by f(0)>0,f(0) \gt 0, f(c)<0,f(\sqrt{c}) \lt 0, exactly) two positive roots. So k4k \le 4 fails. For k5,k \ge 5, we have k2k+20,k^2 \ge k + 20, so f(c)=ck0.f\left(-\sqrt{c}\right) = \sqrt{c} - k \le 0. On (,c],(-\infty, -\sqrt{c}], we have f(x)=8x(x2c)1<0,f'(x) = 8x(x^2-c)-1 \lt 0, so there is exactly one root there (at c-\sqrt{c} when k=5k=5). If k=5,k=5, the negative derivative at that endpoint makes ff negative immediately to its right; if k>5,k \gt 5, it is already negative at the endpoint. Since f(0)=2c2k>0,f(0) = 2c^2-k \gt 0, there is a second root in (c,0).(-\sqrt{c},0). Finally, f(c)=ck<0f\left(\sqrt{c}\right) = -\sqrt{c}-k \lt 0 and f(+)=+,f(+\infty)=+\infty, so there is one root in each of (0,c)(0,\sqrt{c}) and (c,).(\sqrt{c},\infty). These four roots are distinct, and a quartic has no others.

Hence S={5,6,,280},S = \{5, 6, \ldots, 280\}, and the answer is 5+280=285.5 + 280 = 285.

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