2024 AIME I Problema 12

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 12 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:funciónvalor absolutoconteo de intersecciones

Nivel de dificultad: 3160

12.

Define f(x)=x12f(x) = \left||x| - \tfrac{1}{2}\right| y g(x)=x14.g(x) = \left||x| - \tfrac{1}{4}\right|. Halla la cantidad de intersecciones de las gráficas de y=4g(f(sin(2πx))) y = 4g(f(\sin(2\pi x))) y x=4g(f(cos(3πy))). x = 4g(f(\cos(3\pi y))).

Define f(x)=x12f(x) = \left||x| - \tfrac{1}{2}\right| and g(x)=x14.g(x) = \left||x| - \tfrac{1}{4}\right|. Find the number of intersections of the graphs of y=4g(f(sin(2πx))) y = 4g(f(\sin(2\pi x))) and x=4g(f(cos(3πy))). x = 4g(f(\cos(3\pi y))).

Solución:

Ambos lados derechos toman valores en [0,1],[0, 1], así que toda intersección está en el cuadrado unitario, y allí podemos escribir ambas curvas usando φ(u)=4u1214:\varphi(u) = 4\left||u - \tfrac{1}{2}| - \tfrac{1}{4}\right|: la primera es y=φ(sin2πx)y = \varphi(|\sin 2\pi x|) y la segunda es x=φ(cos3πy).x = \varphi(|\cos 3\pi y|). A medida que uu crece de 00 a 1,1, φ(u)\varphi(u) recorre linealmente 101011 \to 0 \to 1 \to 0 \to 1 con esquinas en u=14,12,34.u = \frac{1}{4}, \frac{1}{2}, \frac{3}{4}. Para x[0,1],x \in [0, 1], sin2πx|\sin 2\pi x| barre [0,1][0, 1] monótonamente 44 veces, así que la primera gráfica consta de 44=164 \cdot 4 = 16 arcos monótonos, cada uno subiendo o bajando por todo el rango 0y10 \le y \le 1 dentro de una franja vertical angosta. De igual modo cos3πy|\cos 3\pi y| barre [0,1][0, 1] monótonamente 66 veces para y[0,1],y \in [0, 1], así que la segunda gráfica consta de 2424 arcos monótonos, cada uno cruzando todo el rango 0x10 \le x \le 1 dentro de una franja horizontal angosta.

Toma un arco de cada gráfica, ubicados en la franja vertical [a,b][a, b] y en la franja horizontal [c,d].[c, d]. Dentro del rectángulo [a,b]×[c,d],[a, b] \times [c, d], el primer arco une el borde inferior con el superior y el segundo une el borde izquierdo con el derecho, y cada uno es monótono, así que los dos arcos se cruzan exactamente una vez. Esto da 1624=38416 \cdot 24 = 384 puntos de intersección.

Otro punto más se esconde en la esquina (1,1),(1, 1), que está en ambas gráficas: φ(sin2π)=φ(0)=1\varphi(|\sin 2\pi|) = \varphi(0) = 1 y φ(cos3π)=φ(1)=1.\varphi(|\cos 3\pi|) = \varphi(1) = 1. Cerca de ella la primera gráfica es y18π(1x)y \approx 1 - 8\pi(1 - x) mientras que la segunda satisface x118π2(1y)2,x \approx 1 - 18\pi^2(1 - y)^2, así que los dos arcos finales se encuentran en su extremo compartido (1,1)(1, 1) además del cruce transversal ya contado. El total es 384+1=385.384 + 1 = 385.

Both right-hand sides take values in [0,1],[0, 1], so every intersection lies in the unit square, and there we may write both curves using φ(u)=4u1214:\varphi(u) = 4\left||u - \tfrac{1}{2}| - \tfrac{1}{4}\right|: the first is y=φ(sin2πx)y = \varphi(|\sin 2\pi x|) and the second is x=φ(cos3πy).x = \varphi(|\cos 3\pi y|). As uu increases from 00 to 1,1, φ(u)\varphi(u) runs linearly 101011 \to 0 \to 1 \to 0 \to 1 with corners at u=14,12,34.u = \frac{1}{4}, \frac{1}{2}, \frac{3}{4}. For x[0,1],x \in [0, 1], sin2πx|\sin 2\pi x| sweeps [0,1][0, 1] monotonically 44 times, so the first graph consists of 44=164 \cdot 4 = 16 monotone arcs, each climbing or descending through the full range 0y10 \le y \le 1 within a narrow vertical strip. Likewise cos3πy|\cos 3\pi y| sweeps [0,1][0, 1] monotonically 66 times for y[0,1],y \in [0, 1], so the second graph consists of 2424 monotone arcs, each crossing the full range 0x10 \le x \le 1 within a narrow horizontal strip.

Take one arc of each graph, living in the vertical strip [a,b][a, b] and the horizontal strip [c,d].[c, d]. Inside the rectangle [a,b]×[c,d],[a, b] \times [c, d], the first arc joins the bottom edge to the top edge and the second joins the left edge to the right edge, and each is monotone, so the two arcs cross exactly once. This yields 1624=38416 \cdot 24 = 384 intersection points.

One further point hides at the corner (1,1),(1, 1), which lies on both graphs: φ(sin2π)=φ(0)=1\varphi(|\sin 2\pi|) = \varphi(0) = 1 and φ(cos3π)=φ(1)=1.\varphi(|\cos 3\pi|) = \varphi(1) = 1. Near it the first graph is y18π(1x)y \approx 1 - 8\pi(1 - x) while the second satisfies x118π2(1y)2,x \approx 1 - 18\pi^2(1 - y)^2, so the two final arcs meet at their shared endpoint (1,1)(1, 1) in addition to the transversal crossing already counted. The total is 384+1=385.384 + 1 = 385.

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El Problema 12 en otros años