2025 AIME I Problema 13

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

13.

Alex divide un disco en cuatro cuadrantes con dos diámetros perpendiculares que se cortan en el centro del disco. Traza 2525 segmentos de recta más a través del disco, dibujando cada segmento al seleccionar al azar dos puntos del perímetro del disco en cuadrantes diferentes y conectar esos dos puntos. Halle el número esperado de regiones en que estos 2727 segmentos de recta dividen el disco.

Alex divides a disk into four quadrants with two perpendicular diameters intersecting at the center of the disk. He draws 2525 more line segments through the disk, drawing each segment by selecting two points at random on the perimeter of the disk in different quadrants and connecting these two points. Find the expected number of regions into which these 2727 line segments divide the disk.

Respuesta: 204
Conceptos:valor esperadoconteo de regionesanálisis por casos
Nivel de dificultad: 3270
Solución:

Con probabilidad 1,1, ningún extremo aleatorio ni cruce interior coincide con otro, así que al añadir las cuerdas una por una, cada nueva cuerda aumenta el número de regiones en 11 más el número de cuerdas existentes que cruza dentro del disco. Partiendo de una región, el total esperado es 1+27+E,1 + 27 + E, donde EE es el número esperado de pares que se cruzan en el interior. Los dos diámetros se cruzan una vez. Los extremos de una cuerda aleatoria caen en uno de los 66 pares de cuadrantes, cada uno con probabilidad 16.\frac{1}{6}. La cuerda cruza el diámetro vertical exactamente cuando sus extremos tienen signos de xx opuestos, lo que ocurre en 44 de los 66 pares, así que corta cada diámetro con probabilidad 23\frac{2}{3} y ambos diámetros juntos 43\frac{4}{3} veces en promedio: las 2525 cuerdas aportan 1003\frac{100}{3} cruces esperados con los diámetros.

Para dos cuerdas aleatorias, condicionemos sobre sus pares de cuadrantes (3636 combinaciones ordenadas igualmente probables). Si una usa los cuadrantes 1,31, 3 y la otra 2,4,2, 4, los extremos siempre se alternan, así que siempre se cruzan: 22 combinaciones. Si los dos pares son adyacentes y disjuntos, como {1,2}\{1, 2\} y {3,4},\{3, 4\}, las cuerdas nunca se cruzan: 44 combinaciones. En cada una de las otras 3030 combinaciones, si los extremos se alternan alrededor del círculo se reduce a comparar puntos uniformes independientes dentro de cuadrantes compartidos, por ejemplo, una cuerda {1,3}\{1,3\} y una cuerda {1,2}\{1,2\} se cruzan exactamente cuando los dos puntos del cuadrante 11 aparecen en un orden específico, y la probabilidad es 12\frac{1}{2} por simetría. Así que dos cuerdas aleatorias se cruzan con probabilidad 21+40+301236=1736.\frac{2 \cdot 1 + 4 \cdot 0 + 30 \cdot \frac{1}{2}}{36} = \frac{17}{36}.

Los (252)=300\binom{25}{2} = 300 pares de cuerdas aportan 3001736=4253300 \cdot \frac{17}{36} = \frac{425}{3} cruces esperados, así que E=1+1003+4253=176E = 1 + \frac{100}{3} + \frac{425}{3} = 176 y el número esperado de regiones es 1+27+176=204.1 + 27 + 176 = 204.

With probability 1,1, no random endpoint or interior crossing coincides with another, so adding chords one at a time, each new chord increases the region count by 11 plus the number of existing chords it crosses inside the disk. Starting from one region, the expected total is 1+27+E,1 + 27 + E, where EE is the expected number of interior crossing pairs. The two diameters cross once. A random chord's endpoints land in one of the 66 quadrant pairs, each with probability 16.\frac{1}{6}. The chord crosses the vertical diameter exactly when its endpoints have opposite xx-signs, which happens for 44 of the 66 pairs, so it meets each diameter with probability 23\frac{2}{3} and both diameters together 43\frac{4}{3} times on average: the 2525 chords contribute 1003\frac{100}{3} expected crossings with the diameters.

For two random chords, condition on their quadrant pairs (3636 equally likely ordered combinations). If one uses quadrants 1,31, 3 and the other 2,4,2, 4, the endpoints always alternate, so they always cross: 22 combinations. If the two pairs are adjacent and disjoint, such as {1,2}\{1, 2\} and {3,4},\{3, 4\}, the chords never cross: 44 combinations. In each of the other 3030 combinations, whether the endpoints alternate around the circle reduces to comparing independent uniform points inside shared quadrants — for example, a {1,3}\{1,3\} chord and a {1,2}\{1,2\} chord cross exactly when the two quadrant-11 points come in one specific order — and the probability is 12\frac{1}{2} by symmetry. So two random chords cross with probability 21+40+301236=1736.\frac{2 \cdot 1 + 4 \cdot 0 + 30 \cdot \frac{1}{2}}{36} = \frac{17}{36}.

The (252)=300\binom{25}{2} = 300 chord pairs contribute 3001736=4253300 \cdot \frac{17}{36} = \frac{425}{3} expected crossings, so E=1+1003+4253=176E = 1 + \frac{100}{3} + \frac{425}{3} = 176 and the expected number of regions is 1+27+176=204.1 + 27 + 176 = 204.

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