2021 AIME I Problema 7

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 7 del 2021 AIME I, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2021 AIME I, o revisar la clave de respuestas.

Todos los problemas se usan con el permiso legal oficial de la Mathematical Association of America (MAA).

Conceptos:trigonometríaEcuación diofánticamáximo común divisoranálisis por casos

Nivel de dificultad: 2920

7.

Halle el número de pares (m,n)(m, n) de enteros positivos con 1m<n301 \le m \lt n \le 30 tales que existe un número real xx que satisface sin(mx)+sin(nx)=2.\sin(mx) + \sin(nx) = 2.

Find the number of pairs (m,n)(m, n) of positive integers with 1m<n301 \le m \lt n \le 30 such that there exists a real number xx satisfying sin(mx)+sin(nx)=2.\sin(mx) + \sin(nx) = 2.

Solución:

Como cada seno es a lo sumo 1,1, necesitamos sin(mx)=sin(nx)=1,\sin(mx) = \sin(nx) = 1, es decir mx=π2+2πamx = \frac{\pi}{2} + 2\pi a y nx=π2+2πbnx = \frac{\pi}{2} + 2\pi b para enteros a,b.a, b. Al eliminar xx se obtiene n(4a+1)=m(4b+1),n(4a + 1) = m(4b + 1), esto es, 4(namb)=mn.4(na - mb) = m - n. Cuando aa y bb recorren los enteros, nambna - mb toma exactamente los múltiplos de g=gcd(m,n),g = \gcd(m, n), así que existe solución si y solo si 4gnm4g \mid n - m, equivalentemente, escribiendo m=gmm = gm' y n=gn,n = gn', si y solo si mn(mod4)m' \equiv n' \pmod 4 (lo que obliga a que tanto mm' como nn' sean impares).

Para cada gg contamos los pares coprimos m<n30/gm' \lt n' \le \lfloor 30/g \rfloor de números impares en la misma clase módulo 4.4. Para g=1:g = 1: entre 1,3,,291, 3, \ldots, 29 hay ocho números 1\equiv 1 y siete 3(mod4),\equiv 3 \pmod 4, lo que da (82)+(72)=49\binom{8}{2} + \binom{7}{2} = 49 pares, de los cuales los cinco pares {3,15},\{3,15\}, {3,27},\{3,27\}, {9,21},\{9,21\}, {15,27},\{15,27\}, {5,25}\{5,25\} no son coprimos, quedando 44.44. Para g=2g = 2 (números impares hasta 1515): (42)+(42)=12\binom{4}{2} + \binom{4}{2} = 12 menos el par {3,15}\{3,15\} da 11.11. Para g=3g = 3 (hasta 1010): los pares {1,5},{1,9},{5,9},{3,7}\{1,5\}, \{1,9\}, \{5,9\}, \{3,7\} dan 4.4. Para g=4g = 4 (hasta 77): {1,5}\{1,5\} y {3,7}\{3,7\} dan 2.2. Para g=5g = 5 y g=6:g = 6: solo {1,5},\{1,5\}, que da 11 cada uno. Para g7g \ge 7 necesitaríamos dos números impares distintos hasta 30/g4\lfloor 30/g \rfloor \le 4 en la misma clase módulo 4,4, lo cual es imposible.

El total es 44+11+4+2+1+1=63.44 + 11 + 4 + 2 + 1 + 1 = 63.

Since each sine is at most 1,1, we need sin(mx)=sin(nx)=1,\sin(mx) = \sin(nx) = 1, i.e. mx=π2+2πamx = \frac{\pi}{2} + 2\pi a and nx=π2+2πbnx = \frac{\pi}{2} + 2\pi b for integers a,b.a, b. Eliminating xx gives n(4a+1)=m(4b+1),n(4a + 1) = m(4b + 1), that is, 4(namb)=mn.4(na - mb) = m - n. As aa and bb range over the integers, nambna - mb takes exactly the multiples of g=gcd(m,n),g = \gcd(m, n), so a solution exists if and only if 4gnm4g \mid n - m — equivalently, writing m=gmm = gm' and n=gn,n = gn', if and only if mn(mod4)m' \equiv n' \pmod 4 (which forces both mm' and nn' odd).

For each gg we count coprime pairs m<n30/gm' \lt n' \le \lfloor 30/g \rfloor of odd numbers in the same class mod 4.4. For g=1:g = 1: among 1,3,,291, 3, \ldots, 29 there are eight numbers 1\equiv 1 and seven 3(mod4),\equiv 3 \pmod 4, giving (82)+(72)=49\binom{8}{2} + \binom{7}{2} = 49 pairs, of which the five pairs {3,15},\{3,15\}, {3,27},\{3,27\}, {9,21},\{9,21\}, {15,27},\{15,27\}, {5,25}\{5,25\} are not coprime, leaving 44.44. For g=2g = 2 (odd numbers up to 1515): (42)+(42)=12\binom{4}{2} + \binom{4}{2} = 12 minus the pair {3,15}\{3,15\} gives 11.11. For g=3g = 3 (up to 1010): the pairs {1,5},{1,9},{5,9},{3,7}\{1,5\}, \{1,9\}, \{5,9\}, \{3,7\} give 4.4. For g=4g = 4 (up to 77): {1,5}\{1,5\} and {3,7}\{3,7\} give 2.2. For g=5g = 5 and g=6:g = 6: only {1,5},\{1,5\}, giving 11 each. For g7g \ge 7 we would need two distinct odd numbers up to 30/g4\lfloor 30/g \rfloor \le 4 in the same class mod 4,4, which is impossible.

The total is 44+11+4+2+1+1=63.44 + 11 + 4 + 2 + 1 + 1 = 63.

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