2024 AIME II Problema 15

Intenta el Problema 15 del 2024 AIME II a continuación y luego compara tu respuesta con la solución preparada profesionalmente 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).

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.

Respuesta: 315
Conceptos:polígono regularconteo de figuras en diagramasanálisis por casos
Nivel de dificultad: 3500
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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