2023 AIME I Problema 15

Intenta el Problema 15 del 2023 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 2023 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).

15.

Halla el mayor número primo p<1000p \lt 1000 para el cual existe un número complejo zz que satisface
• la parte real y la parte imaginaria de zz son ambas enteras;
• ∣z∣=p,|z| = \sqrt{p}, y
• existe un triángulo cuyas tres longitudes de lado son p,p, la parte real de z3,z^3, y la parte imaginaria de z3.z^3.
Find the largest prime number p<1000p \lt 1000 for which there exists a complex number zz satisfying
• the real and imaginary part of zz are both integers;
• ∣z∣=p,|z| = \sqrt{p}, and
• there exists a triangle whose three side lengths are p,p, the real part of z3,z^3, and the imaginary part of z3.z^3.
Respuesta: 349
Conceptos:número complejoprimodesigualdad triangularfactorización
Nivel de dificultad: 3370
Pista pequeña:
Escribe z=a+biz = a + bi con a2+b2=p;a^2 + b^2 = p; salvo signos e intercambio, el triángulo necesita ∣∣Re⁡z3∣−∣Im⁡z3∣∣<p.\bigl||\operatorname{Re} z^3| - |\operatorname{Im} z^3|\bigr| \lt p.
Write z=a+biz = a + bi with a2+b2=p;a^2 + b^2 = p; up to signs and swapping, the triangle needs ∣∣Re⁡z3∣−∣Im⁡z3∣∣<p.\bigl||\operatorname{Re} z^3| - |\operatorname{Im} z^3|\bigr| \lt p.
Pista grande:
Re⁡z3−Im⁡z3\operatorname{Re} z^3 - \operatorname{Im} z^3 =(a+b)(a2+b2−4ab),= (a + b)(a^2 + b^2 - 4ab), así que 4ab4ab debe estar dentro de p\sqrt{p} de p.p.
Re⁡z3−Im⁡z3\operatorname{Re} z^3 - \operatorname{Im} z^3 =(a+b)(a2+b2−4ab),= (a + b)(a^2 + b^2 - 4ab), so 4ab4ab must be within p\sqrt{p} of p.p.
Solución:
Escribe z=a+biz = a + bi con a2+b2=p.a^2 + b^2 = p. El primo p=2p = 2 sí cumple: para z=−1+iz = -1 + i tenemos z3=2+2i,z^3 = 2 + 2i, pero no puede ser la mayor respuesta. Por lo tanto, considera un primo impar p,p, de modo que p≡1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 y el par {∣a∣,∣b∣}\{|a|, |b|\} queda determinado de manera única. Reemplazar zz por ±z,\pm z, ±zˉ,\pm\bar{z}, ±iz,\pm iz, o ±izˉ\pm i\bar{z} solo cambia los signos de las partes real e imaginaria de z3z^3 o las intercambia, así que podemos tomar a>b>0,a \gt b \gt 0, y las dos longitudes de lado candidatas son ∣Re⁡z3∣|\operatorname{Re} z^3| y ∣Im⁡z3∣.|\operatorname{Im} z^3|. Al desarrollar z3=(a3−3ab2)+(3a2b−b3)iz^3 = (a^3 - 3ab^2) + (3a^2b - b^3)i y factorizar, obtenemos Re⁡z3+Im⁡z3=(a−b)(p+4ab),Re⁡z3−Im⁡z3=(a+b)(p−4ab). \begin{aligned} &\operatorname{Re} z^3 + \operatorname{Im} z^3 \\ &\quad = (a - b)(p + 4ab), \qquad \\ &\operatorname{Re} z^3 - \operatorname{Im} z^3 \\ &\quad = (a + b)(p - 4ab). \end{aligned} El triángulo existe exactamente cuando ∣∣Re⁡∣−∣Im⁡∣∣<p\bigl||\operatorname{Re}| - |\operatorname{Im}|\bigr| \lt p <∣Re⁡∣+∣Im⁡∣,\lt |\operatorname{Re}| + |\operatorname{Im}|, y esas dos cantidades son, en algún orden, los valores absolutos anteriores. Como a>ba \gt b obliga a (a−b)(p+4ab)>p,(a - b)(p + 4ab) \gt p, toda la condición se reduce a (a+b) ∣p−4ab∣<p.(a + b)\,|p - 4ab| \lt p.
Como a+b>a2+b2=p,a+b\gt\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt p, esto requiere Δ=∣p−4ab∣<p.\Delta=|p-4ab|\lt\sqrt p. La cota p=a2+b2<1000p=a^2+b^2\lt1000 da 1≤b<a≤31;1\le b\lt a\le31; además, b≤21,b \le 21, porque b≥22b \ge 22 obligaría a a≥23a \ge 23 y p≥222+232>1000.p \ge 22^2 + 23^2 \gt 1000. Al sustituir p=a2+b2p=a^2+b^2 en (a2+b2−4ab)2<a2+b2 (a^2+b^2-4ab)^2\lt a^2+b^2 y comprobar estos enteros acotados se obtiene la lista completa de valores posibles p∈{10,17,53,68,130,153,212,241,272,349,386,520,565,725,778,905,964}. \begin{aligned} p \in \{&10,17,53,68,130,153, \\ &212,241,272,349,386,520, \\ &565,725,778,905,964\}. \end{aligned} Solo cuatro valores de esta lista son primos, en (a,b,p,Δ)=(4,1,17,1),(7,2,53,3),(15,4,241,1),(18,5,349,11). \begin{aligned} (a,b,p,\Delta)&=(4,1,17,1), \\ &\quad (7,2,53,3), \\ &\quad (15,4,241,1), \\ &\quad (18,5,349,11). \end{aligned} Los valores correspondientes de (a+b)Δ(a+b)\Delta son 5,27,19,253,5,27,19,253, respectivamente, todos menores que p,p, así que los cuatro también satisfacen la desigualdad triangular completa. Por tanto, el mayor primo posible es 349.349.
En efecto, para z=18+5iz = 18 + 5i obtenemos z3=4482+4735i,z^3 = 4482 + 4735i, y las longitudes 349,349, 4482,4482, 47354735 forman un triángulo válido. La respuesta es 349.349.
Write z=a+biz = a + bi with a2+b2=p.a^2 + b^2 = p. The prime p=2p = 2 does qualify: for z=−1+iz = -1 + i we have z3=2+2i,z^3 = 2 + 2i, but it cannot be the largest answer. Hence consider an odd prime p,p, so p≡1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 and the pair {∣a∣,∣b∣}\{|a|, |b|\} is unique. Replacing zz by ±z,\pm z, ±zˉ,\pm\bar{z}, ±iz,\pm iz, ±izˉ\pm i\bar{z} only changes the real and imaginary parts of z3z^3 by signs and swaps, so we may take a>b>0,a \gt b \gt 0, and the two candidate side lengths are ∣Re⁡z3∣|\operatorname{Re} z^3| and ∣Im⁡z3∣.|\operatorname{Im} z^3|. Expanding z3=(a3−3ab2)+(3a2b−b3)iz^3 = (a^3 - 3ab^2) + (3a^2b - b^3)i and factoring, Re⁡z3+Im⁡z3=(a−b)(p+4ab),Re⁡z3−Im⁡z3=(a+b)(p−4ab). \begin{aligned} &\operatorname{Re} z^3 + \operatorname{Im} z^3 \\ &\quad = (a - b)(p + 4ab), \qquad \\ &\operatorname{Re} z^3 - \operatorname{Im} z^3 \\ &\quad = (a + b)(p - 4ab). \end{aligned} The triangle exists exactly when ∣∣Re⁡∣−∣Im⁡∣∣<p\bigl||\operatorname{Re}| - |\operatorname{Im}|\bigr| \lt p <∣Re⁡∣+∣Im⁡∣,\lt |\operatorname{Re}| + |\operatorname{Im}|, and those two quantities are, in some order, the absolute values above. Since a>ba \gt b forces (a−b)(p+4ab)>p,(a - b)(p + 4ab) \gt p, the whole condition reduces to (a+b) ∣p−4ab∣<p.(a + b)\,|p - 4ab| \lt p.
Because a+b>a2+b2=p,a+b\gt\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt p, this requires Δ=∣p−4ab∣<p.\Delta=|p-4ab|\lt\sqrt p. The bound p=a2+b2<1000p=a^2+b^2\lt1000 gives 1≤b<a≤31;1\le b\lt a\le31; moreover b≤21,b \le 21, because b≥22b \ge 22 would force a≥23a \ge 23 and p≥222+232>1000.p \ge 22^2 + 23^2 \gt 1000. Substituting p=a2+b2p=a^2+b^2 into (a2+b2−4ab)2<a2+b2 (a^2+b^2-4ab)^2\lt a^2+b^2 and checking these bounded integers gives the complete list of possible values p∈{10,17,53,68,130,153,212,241,272,349,386,520,565,725,778,905,964}. \begin{aligned} p \in \{&10,17,53,68,130,153, \\ &212,241,272,349,386,520, \\ &565,725,778,905,964\}. \end{aligned} Only four values in this list are prime, at (a,b,p,Δ)=(4,1,17,1),(7,2,53,3),(15,4,241,1),(18,5,349,11). \begin{aligned} (a,b,p,\Delta)&=(4,1,17,1), \\ &\quad (7,2,53,3), \\ &\quad (15,4,241,1), \\ &\quad (18,5,349,11). \end{aligned} The corresponding values of (a+b)Δ(a+b)\Delta are 5,27,19,253,5,27,19,253, respectively, all below p,p, so all four also pass the full triangle inequality. Thus the largest possible prime is 349.349.
Indeed for z=18+5iz = 18 + 5i we get z3=4482+4735i,z^3 = 4482 + 4735i, and the lengths 349,349, 4482,4482, 47354735 form a valid triangle. The answer is 349.349.
Problema 14#14
Examen completo

El Problema 15 en otros años