2024 AIME I Problema 10

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 10 del 2024 AIME I, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2024 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:potencia de un puntorecta tangenteley de los cosenos

Nivel de dificultad: 2920

10.

Sea ABC\triangle ABC con longitudes de lado AB=5,AB = 5, BC=9,BC = 9, y CA=10.CA = 10. Las tangentes al circuncírculo del ABC\triangle ABC en BB y CC se intersecan en el punto D,D, y AD\overline{AD} interseca al circuncírculo en PA.P \ne A. La longitud de APAP es igual a mn,\frac{m}{n}, donde mm y nn son enteros primos entre sí. Halla m+n.m + n.

Let ABC\triangle ABC have side lengths AB=5,AB = 5, BC=9,BC = 9, and CA=10.CA = 10. The tangents to the circumcircle of ABC\triangle ABC at BB and CC intersect at point D,D, and AD\overline{AD} intersects the circumcircle at PA.P \ne A. The length of APAP is equal to mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime integers. Find m+n.m + n.

Solución:

Por el ángulo tangente-cuerda, DBC=DCB=A,\angle DBC = \angle DCB = \angle A, así que el triángulo DBCDBC es isósceles con DB=BC/2cosA.DB = \frac{BC/2}{\cos A}. La ley de cosenos da cosA=102+52922105=1125\cos A = \frac{10^2 + 5^2 - 9^2}{2 \cdot 10 \cdot 5} = \frac{11}{25} y cosB=92+52102295=115,\cos B = \frac{9^2 + 5^2 - 10^2}{2 \cdot 9 \cdot 5} = \frac{1}{15}, así que DB=9/211/25=22522.DB = \frac{9/2}{11/25} = \frac{225}{22}.

Como DD está en el lado opuesto de BCBC respecto de A,A, ABD=A+B,\angle ABD = A + B, y cos(A+B)=11251156142541415=11336375=1315. \begin{aligned} &\cos(A + B) \\ &= \frac{11}{25} \cdot \frac{1}{15} \\ &\quad {}- \frac{6\sqrt{14}}{25} \cdot \frac{4\sqrt{14}}{15} \\ &= \frac{11 - 336}{375} \\ &= -\frac{13}{15}. \end{aligned} La ley de cosenos en el triángulo ABDABD da entonces DA2=52+(22522)2+25225221315=105625484, \begin{aligned} &DA^2 = 5^2 + \left(\tfrac{225}{22}\right)^2 \\ &\quad {}+ 2 \cdot 5 \cdot \tfrac{225}{22} \cdot \tfrac{13}{15} \\ &= \frac{105625}{484}, \end{aligned} DA=32522. DA = \frac{325}{22}.

La potencia de DD da DPDA=DB2,DP \cdot DA = DB^2, así que AP=DADB2DA=DA2DB2DA=(10562550625)/484325/22=5500022325=10013, \begin{aligned} &AP = DA - \frac{DB^2}{DA} \\ &= \frac{DA^2 - DB^2}{DA} \\ &= \frac{(105625 - 50625)/484}{325/22} \\ &= \frac{55000}{22 \cdot 325} \\ &= \frac{100}{13}, \end{aligned} y m+n=100+13=113.m + n = 100 + 13 = 113.

By the tangent-chord angle, DBC=DCB=A,\angle DBC = \angle DCB = \angle A, so triangle DBCDBC is isosceles with DB=BC/2cosA.DB = \frac{BC/2}{\cos A}. The law of cosines gives cosA=102+52922105=1125\cos A = \frac{10^2 + 5^2 - 9^2}{2 \cdot 10 \cdot 5} = \frac{11}{25} and cosB=92+52102295=115,\cos B = \frac{9^2 + 5^2 - 10^2}{2 \cdot 9 \cdot 5} = \frac{1}{15}, so DB=9/211/25=22522.DB = \frac{9/2}{11/25} = \frac{225}{22}.

Since DD lies on the opposite side of BCBC from A,A, ABD=A+B,\angle ABD = A + B, and cos(A+B)=11251156142541415=11336375=1315. \begin{aligned} &\cos(A + B) \\ &= \frac{11}{25} \cdot \frac{1}{15} \\ &\quad {}- \frac{6\sqrt{14}}{25} \cdot \frac{4\sqrt{14}}{15} \\ &= \frac{11 - 336}{375} \\ &= -\frac{13}{15}. \end{aligned} The law of cosines in triangle ABDABD then gives DA2=52+(22522)2+25225221315=105625484, \begin{aligned} &DA^2 = 5^2 + \left(\tfrac{225}{22}\right)^2 \\ &\quad {}+ 2 \cdot 5 \cdot \tfrac{225}{22} \cdot \tfrac{13}{15} \\ &= \frac{105625}{484}, \end{aligned} DA=32522. DA = \frac{325}{22}.

The power of DD gives DPDA=DB2,DP \cdot DA = DB^2, so AP=DADB2DA=DA2DB2DA=(10562550625)/484325/22=5500022325=10013, \begin{aligned} &AP = DA - \frac{DB^2}{DA} \\ &= \frac{DA^2 - DB^2}{DA} \\ &= \frac{(105625 - 50625)/484}{325/22} \\ &= \frac{55000}{22 \cdot 325} \\ &= \frac{100}{13}, \end{aligned} and m+n=100+13=113.m + n = 100 + 13 = 113.

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