2021 AIME II Problema 14

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 14 del 2021 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2021 AIME II, o revisar la clave de respuestas.

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

Conceptos:circunferencia circunscrita, circuncentro y circunradiocuadrilátero cíclicopersecución de ángulosbaricentro

Nivel de dificultad: 3370

14.

Sea ABC\triangle ABC un triángulo acutángulo con circuncentro OO y baricentro GG. Sea XX la intersección de la recta tangente a la circunferencia circunscrita de ABC\triangle ABC en AA con la recta perpendicular a GOGO en GG. Sea YY la intersección de las rectas XGXG y BCBC. Dado que las medidas de ABC,BCA,\angle ABC, \angle BCA, y XOY\angle XOY están en la razón 13:2:1713 : 2 : 17, la medida en grados de BAC\angle BAC se puede escribir como mn\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros positivos primos entre sí. Halle m+nm + n.

Let ABC\triangle ABC be an acute triangle with circumcenter OO and centroid G.G. Let XX be the intersection of the line tangent to the circumcircle of ABC\triangle ABC at AA and the line perpendicular to GOGO at G.G. Let YY be the intersection of lines XGXG and BC.BC. Given that the measures of ABC,BCA,\angle ABC, \angle BCA, and XOY\angle XOY are in the ratio 13:2:17,13 : 2 : 17, the degree measure of BAC\angle BAC can be written as mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. Find m+n.m + n.

Solución:

Sea MM el punto medio de BC\overline{BC}, de modo que AA, GG, MM son colineales a lo largo de la mediana, mientras que XX, GG, YY son colineales por definición. Como OAAXOA \perp AX (tangente y radio) y OGGXOG \perp GX, el cuadrilátero OAXGOAXG es cíclico con diámetro OX\overline{OX}. Como OGGYOG \perp GY y OMMYOM \perp MY (el segmento del centro al punto medio de una cuerda es perpendicular a ella), el cuadrilátero OGYMOGYM es cíclico con diámetro OY\overline{OY}.

En cada circunferencia la cuerda OG\overline{OG} subtiende ángulos iguales, así que OXY=OXG\angle OXY = \angle OXG =OAG=OAM= \angle OAG = \angle OAM y OYX=OYG\angle OYX = \angle OYG =OMG=OMA= \angle OMG = \angle OMA. Los triángulos OXYOXY y OAMOAM tienen por lo tanto las mismas sumas de ángulos en sus bases, lo que da XOY=180OXYOYX=180OAMOMA=AOM. \begin{aligned} \angle XOY &= 180^\circ - \angle OXY \\ &\quad {}- \angle OYX \\ &= 180^\circ - \angle OAM \\ &\quad {}- \angle OMA \\ &= \angle AOM. \end{aligned}

Escribimos ABC=13k\angle ABC = 13k y BCA=2k\angle BCA = 2k, de modo que BAC=18015k\angle BAC = 180^\circ - 15k. Los ángulos centrales dan AOB=2BCA=4k\angle AOB = 2\angle BCA = 4k, y OM\overline{OM} biseca BOC=2BAC\angle BOC = 2\angle BAC, así que del lado de BB (más cerca del arco de AA, ya que ABC>BCA\angle ABC \gt \angle BCA), AOM=AOB+BOM=4k+(18015k)=18011k. \begin{aligned} \angle AOM &= \angle AOB + \angle BOM \\ &= 4k + (180^\circ - 15k) \\ &= 180^\circ - 11k. \end{aligned} Al poner 18011k=XOY=17k180^\circ - 11k = \angle XOY = 17k se obtiene k=457k = \frac{45}{7}, así que BAC=18015457=5857\angle BAC = 180^\circ - 15 \cdot \frac{45}{7} = \frac{585}{7} grados, y los tres ángulos son agudos como se requiere. Entonces m+n=585+7=592m + n = 585 + 7 = 592.

Let MM be the midpoint of BC,\overline{BC}, so A,A, G,G, MM are collinear along the median, while X,X, G,G, YY are collinear by definition. Since OAAXOA \perp AX (tangent and radius) and OGGX,OG \perp GX, quadrilateral OAXGOAXG is cyclic with diameter OX.\overline{OX}. Since OGGYOG \perp GY and OMMYOM \perp MY (the segment from the center to the midpoint of a chord is perpendicular to it), quadrilateral OGYMOGYM is cyclic with diameter OY.\overline{OY}.

In each circle the chord OG\overline{OG} subtends equal angles, so OXY=OXG\angle OXY = \angle OXG =OAG=OAM= \angle OAG = \angle OAM and OYX=OYG\angle OYX = \angle OYG =OMG=OMA.= \angle OMG = \angle OMA. Triangles OXYOXY and OAMOAM therefore have the same angle sums at their bases, giving XOY=180OXYOYX=180OAMOMA=AOM. \begin{aligned} \angle XOY &= 180^\circ - \angle OXY \\ &\quad {}- \angle OYX \\ &= 180^\circ - \angle OAM \\ &\quad {}- \angle OMA \\ &= \angle AOM. \end{aligned}

Write ABC=13k\angle ABC = 13k and BCA=2k,\angle BCA = 2k, so BAC=18015k.\angle BAC = 180^\circ - 15k. Central angles give AOB=2BCA=4k,\angle AOB = 2\angle BCA = 4k, and OM\overline{OM} bisects BOC=2BAC,\angle BOC = 2\angle BAC, so on the side of BB (nearer to AA's arc since ABC>BCA\angle ABC \gt \angle BCA), AOM=AOB+BOM=4k+(18015k)=18011k. \begin{aligned} \angle AOM &= \angle AOB + \angle BOM \\ &= 4k + (180^\circ - 15k) \\ &= 180^\circ - 11k. \end{aligned} Setting 18011k=XOY=17k180^\circ - 11k = \angle XOY = 17k gives k=457,k = \frac{45}{7}, so BAC=18015457=5857\angle BAC = 180^\circ - 15 \cdot \frac{45}{7} = \frac{585}{7} degrees, and all three angles are acute as required. Then m+n=585+7=592.m + n = 585 + 7 = 592.

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