2021 AIME I Problema 7

Intenta el Problema 7 del 2021 AIME I a continuación y luego compara tu respuesta con la solución preparada profesionalmente 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).

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.

Respuesta: 63
Conceptos:trigonometríaEcuación diofánticamáximo común divisoranálisis por casos
Nivel de dificultad: 2920
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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