2023 AIME I Problema 15

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 15 del 2023 AIME I, 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).

Conceptos:número complejoprimodesigualdad triangularfactorización

Nivel de dificultad: 3370

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.

Solución:

Escribe z=a+biz = a + bi con a2+b2=p,a^2 + b^2 = p, así que p=2p = 2 o p1(mod4),p \equiv 1 \pmod 4, y el par {a,b}\{|a|, |b|\} es entonces único. Reemplazar zz por ±z,\pm z, ±zˉ,\pm\bar{z}, ±iz,\pm iz, ±izˉ\pm i\bar{z} solo cambia las partes real e imaginaria de z3z^3 por signos e intercambios, así que podemos tomar a>b>0,a \gt b \gt 0, y las dos longitudes de lado candidatas son Rez3|\operatorname{Re} z^3| y Imz3.|\operatorname{Im} z^3|. Desarrollando z3=(a33ab2)+(3a2bb3)iz^3 = (a^3 - 3ab^2) + (3a^2b - b^3)i y factorizando, Rez3+Imz3=(ab)(p+4ab),Rez3Imz3=(a+b)(p4ab). \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 ReIm<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 de arriba. Como a>ba \gt b obliga a (ab)(p+4ab)>p,(a - b)(p + 4ab) \gt p, toda la condición se reduce a (a+b)p4ab<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 p4ab<p<32:|p - 4ab| \lt \sqrt{p} \lt 32: los productos 4ab4ab y a2+b2a^2 + b^2 deben casi coincidir. Revisando los primos p1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 por debajo de 10001000 de mayor a menor, cada uno con su representación única (por ejemplo 997=312+62997 = 31^2 + 6^2 da (a+b)p4ab=37253,(a+b)|p - 4ab| = 37 \cdot 253, demasiado grande), la condición falla para todo primo mayor que 349349 y se cumple para 349=182+52,349 = 18^2 + 5^2, donde (a+b)p4ab(a + b)\,|p - 4ab| =23349360= 23 \cdot |349 - 360| =253<349.= 253 \lt 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, so p=2p = 2 or p1(mod4),p \equiv 1 \pmod 4, and the pair {a,b}\{|a|, |b|\} is then 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 Rez3|\operatorname{Re} z^3| and Imz3.|\operatorname{Im} z^3|. Expanding z3=(a33ab2)+(3a2bb3)iz^3 = (a^3 - 3ab^2) + (3a^2b - b^3)i and factoring, Rez3+Imz3=(ab)(p+4ab),Rez3Imz3=(a+b)(p4ab). \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 ReIm<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 (ab)(p+4ab)>p,(a - b)(p + 4ab) \gt p, the whole condition reduces to (a+b)p4ab<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 p4ab<p<32:|p - 4ab| \lt \sqrt{p} \lt 32: the products 4ab4ab and a2+b2a^2 + b^2 must nearly coincide. Checking the primes p1(mod4)p \equiv 1 \pmod 4 below 10001000 from the top down, each with its unique representation (for instance 997=312+62997 = 31^2 + 6^2 gives (a+b)p4ab=37253,(a+b)|p - 4ab| = 37 \cdot 253, far too big), the condition fails for every prime greater than 349349 and holds for 349=182+52,349 = 18^2 + 5^2, where (a+b)p4ab(a + b)\,|p - 4ab| =23349360= 23 \cdot |349 - 360| =253<349.= 253 \lt 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.

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