2024 AIME II Problema 15

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 15 del 2024 AIME II, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2024 AIME II, o revisar la clave de respuestas.

Todos los problemas se usan con el permiso legal oficial de la Mathematical Association of America (MAA).

Conceptos:polígono regularconteo de figuras en diagramasanálisis por casos

Nivel de dificultad: 3500

15.

Halla el número de rectángulos que pueden formarse dentro de un dodecágono regular fijo (1212-gono) donde cada lado del rectángulo está sobre un lado o una diagonal del dodecágono. El diagrama de abajo muestra tres de esos rectángulos.

Find the number of rectangles that can be formed inside a fixed regular dodecagon (1212-gon) where each side of the rectangle lies on either a side or a diagonal of the dodecagon. The diagram below shows three of those rectangles.

Solución:

Coloca los vértices en los ángulos 30k30k^\circ sobre un círculo unitario. La cuerda que une los vértices ii y jj tiene dirección 15(i+j)+90,15(i+j)^\circ + 90^\circ, así que las cuerdas vienen en 1212 direcciones separadas 1515^\circ, y un rectángulo usa dos cuerdas de cada una de dos direcciones perpendiculares. Los seis pares de direcciones perpendiculares se dividen en dos clases, tres de cada una, por rotación. Cuando i+ji + j es par, una familia de cuerdas paralelas tiene 55 miembros, a distancias 0,±12,±320, \pm\frac{1}{2}, \pm\frac{\sqrt{3}}{2} del centro con semilongitudes 1,32,121, \frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{1}{2} respectivamente; cuando i+ji + j es impar, una familia tiene 66 miembros, a distancias ±cos75,±cos45,±cos15\pm\cos 75^\circ, \pm\cos 45^\circ, \pm\cos 15^\circ con semilongitudes sin75,sin45,sin15.\sin 75^\circ, \sin 45^\circ, \sin 15^\circ.

Una esquina es la intersección de una cuerda de cada dirección, y su desplazamiento a lo largo de una cuerda es igual a la distancia al centro de la otra cuerda. Como las semilongitudes decrecen a medida que la distancia crece, las cuatro esquinas están sobre los cuatro segmentos de cuerda exactamente cuando, escribiendo D1,D2D_1, D_2 para las mayores distancias de los dos pares elegidos, cada DD es a lo sumo la semilongitud de la cuerda más lejana del otro par. Para las familias de 55 cuerdas: los pares con D=32D = \frac{\sqrt{3}}{2} (hay 77) tienen cota de semilongitud 12,\frac{1}{2}, y los pares con D=12D = \frac{1}{2} (hay 33) tienen cota 32;\frac{\sqrt{3}}{2}; las combinaciones válidas dan 73+37+33=517 \cdot 3 + 3 \cdot 7 + 3 \cdot 3 = 51 rectángulos. Para las familias de 66 cuerdas: hay 1,5,91, 5, 9 pares con D=cos75,cos45,cos15,D = \cos 75^\circ, \cos 45^\circ, \cos 15^\circ, y las combinaciones válidas son (cos75,cos75),(\cos 75^\circ, \cos 75^\circ), ambos órdenes de (cos75,cos45)(\cos 75^\circ, \cos 45^\circ) y (cos75,cos15),(\cos 75^\circ, \cos 15^\circ), y (cos45,cos45),(\cos 45^\circ, \cos 45^\circ), lo que da 1+5+5+9+9+25=54.1 + 5 + 5 + 9 + 9 + 25 = 54.

Cada clase de par de direcciones ocurre tres veces, así que el total es 3(51+54)=315.3(51 + 54) = 315.

Put the vertices at angles 30k30k^\circ on a unit circle. The chord joining vertices ii and jj has direction 15(i+j)+90,15(i+j)^\circ + 90^\circ, so chords come in 1212 directions spaced 1515^\circ apart, and a rectangle uses two chords from each of two perpendicular directions. The six perpendicular direction pairs split into two kinds, three of each, by rotation. When i+ji + j is even, a family of parallel chords has 55 members, at distances 0,±12,±320, \pm\frac{1}{2}, \pm\frac{\sqrt{3}}{2} from the center with half-lengths 1,32,121, \frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{1}{2} respectively; when i+ji + j is odd, a family has 66 members, at distances ±cos75,±cos45,±cos15\pm\cos 75^\circ, \pm\cos 45^\circ, \pm\cos 15^\circ with half-lengths sin75,sin45,sin15.\sin 75^\circ, \sin 45^\circ, \sin 15^\circ.

A corner is the intersection of one chord from each direction, and its offset along a chord equals the other chord's distance from the center. Since half-lengths shrink as distance grows, the four corners lie on all four chord segments exactly when, writing D1,D2D_1, D_2 for the larger distances of the two chosen pairs, each DD is at most the half-length of the other pair's farther chord. For the 55-chord families: pairs with D=32D = \frac{\sqrt{3}}{2} (there are 77) have half-length bound 12,\frac{1}{2}, and pairs with D=12D = \frac{1}{2} (there are 33) have bound 32;\frac{\sqrt{3}}{2}; the valid combinations give 73+37+33=517 \cdot 3 + 3 \cdot 7 + 3 \cdot 3 = 51 rectangles. For the 66-chord families: there are 1,5,91, 5, 9 pairs with D=cos75,cos45,cos15,D = \cos 75^\circ, \cos 45^\circ, \cos 15^\circ, and the valid combinations are (cos75,cos75),(\cos 75^\circ, \cos 75^\circ), both orders of (cos75,cos45)(\cos 75^\circ, \cos 45^\circ) and (cos75,cos15),(\cos 75^\circ, \cos 15^\circ), and (cos45,cos45),(\cos 45^\circ, \cos 45^\circ), giving 1+5+5+9+9+25=54.1 + 5 + 5 + 9 + 9 + 25 = 54.

Each kind of direction pair occurs three times, so the total is 3(51+54)=315.3(51 + 54) = 315.

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