Question

Se pueden colocar ocho circunferencias de radio $34$ tangentes a $\overline{BC}$ del $\triangle ABC$ de modo que las circunferencias sean secuencialmente tangentes entre sí, con la primera circunferencia tangente a $\overline{AB}$ y la última circunferencia tangente a $\overline{AC},$ como se muestra. De manera similar, se pueden colocar $2024$ circunferencias de radio $1$ tangentes a $\overline{BC}$ de la misma forma. El inradio del $\triangle ABC$ se puede expresar como $\frac{m}{n},$ donde $m$ y $n$ son enteros positivos primos entre sí. Halla $m + n.$

Eight circles of radius $34$ can be placed tangent to $\overline{BC}$ of $\triangle ABC$ so that the circles are sequentially tangent to each other, with the first circle being tangent to $\overline{AB}$ and the last circle being tangent to $\overline{AC},$ as shown. Similarly, $2024$ circles of radius $1$ can be placed tangent to $\overline{BC}$ in the same manner. The inradius of $\triangle ABC$ can be expressed as $\frac{m}{n},$ where $m$ and $n$ are relatively prime positive integers. Find $m + n.$

Respuesta

Solución:

Para una cadena de $n$ circunferencias de radio $\rho$ tangentes a $\overline{BC},$ los centros están a altura $\rho$ con centros consecutivos separados $2\rho$ . La primera circunferencia es tangente a $\overline{AB}$ y $\overline{BC},$ así que su centro está sobre la bisectriz desde $B,$ a distancia horizontal $\rho\cot\frac{B}{2}$ de $B;$ de manera similar el último centro está a $\rho\cot\frac{C}{2}$ de $C.$ Por lo tanto, con $k = \cot\frac{B}{2} + \cot\frac{C}{2},$ $BC = \rho k + 2\rho(n - 1).$

Las dos cadenas dan $34k + 34 \cdot 14 = BC$ $= k + 2 \cdot 2023,$ así que $33k = 3570$ y $k = \frac{1190}{11},$ de donde $BC = k + 4046 = \frac{45696}{11}.$

La circunferencia inscrita es una cadena de una sola circunferencia de radio $r:$ $BC = rk.$ Por lo tanto $r = \frac{BC}{k} = \frac{45696}{1190} = \frac{192}{5},$ y $m + n = 192 + 5 = 197.$

For a chain of $n$ circles of radius $\rho$ tangent to $\overline{BC},$ the centers lie at height $\rho$ with consecutive centers $2\rho$ apart. The first circle is tangent to $\overline{AB}$ and $\overline{BC},$ so its center lies on the bisector from $B,$ at horizontal distance $\rho\cot\frac{B}{2}$ from $B;$ similarly the last center is $\rho\cot\frac{C}{2}$ from $C.$ Hence with $k = \cot\frac{B}{2} + \cot\frac{C}{2},$ $BC = \rho k + 2\rho(n - 1).$

The two chains give $34k + 34 \cdot 14 = BC$ $= k + 2 \cdot 2023,$ so $33k = 3570$ and $k = \frac{1190}{11},$ whence $BC = k + 4046 = \frac{45696}{11}.$

The incircle is a chain of one circle of radius $r:$ $BC = rk.$ Therefore $r = \frac{BC}{k} = \frac{45696}{1190} = \frac{192}{5},$ and $m + n = 192 + 5 = 197.$

2024 AIME I Problema 8

Solución:

El Problema 8 en otros años