2022 AMC 10A Problema 17

A continuación está la solución preparada profesionalmente para el Problema 17 del 2022 AMC 10A, de LIVE by Po-Shen Loh. También puedes intentar el examen cronometrado completo, ver todas las soluciones del 2022 AMC 10A, o revisar la clave de respuestas.

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

Conceptos:decimal periódicodígitosEcuación diofántica

Nivel de dificultad: 1660

17.

¿Cuántos enteros positivos de tres dígitos a b c\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} hay cuyos dígitos no nulos aa, bb, y cc satisfacen 0.a b c=13(0.a+0.b+0.c)0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} = \dfrac{1}{3} (0.\overline{a} + 0.\overline{b} + 0.\overline{c})? (La barra indica repetición, de modo que 0.a b c0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} es el decimal periódico infinito 0.a b c a b c 0.\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}~\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}~\cdots)

How many three-digit positive integers a b c\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} are there whose nonzero digits aa, bb, and cc satisfy 0.a b c=13(0.a+0.b+0.c)?0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} = \dfrac{1}{3} (0.\overline{a} + 0.\overline{b} + 0.\overline{c})? (The bar indicates repetition, thus 0.a b c0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} in the infinite repeating decimal 0.a b c a b c 0.\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}~\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}~\cdots)

99

1010

1111

1313

1414

Solución:

Encontremos una expresión en forma cerrada para cada uno de los decimales periódicos. Podemos escribir 0.a b c0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} como 0.a b c+0.000 a b c+. 0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} + 0.000 \ \underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} + \cdots.

De esto, vemos que es una sucesión geométrica infinita con primer término 0.a b c0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} y razón 11000.\dfrac{1}{1000}.

Usando la fórmula para la suma de una sucesión geométrica infinita, obtenemos que esto es igual a 0.a b c111000=a b c999. \dfrac{0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{1 - \dfrac{1}{1000}} = \dfrac{\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{999}.

De manera similar, nota que podemos escribir 0.a0.\overline{a} como 0.a+0.0a+0.00a+. 0.a + 0.0a + 0.00a + \cdots.

Como antes, esto es igual a 0.a1110=a9. \dfrac{0.a}{1 - \dfrac{1}{10}} = \dfrac{a}{9}. Por lo tanto, 0.b=b9,0.c=c9. 0.\overline{b} = \dfrac{b}{9},\qquad 0.\overline{c} = \dfrac{c}{9}.

Sustituyendo todos estos valores en la condición, obtenemos a b c999=13a+b+c9. \dfrac{\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{999} = \dfrac{1}{3} \cdot \dfrac{a + b + c}{9}. Multiplicando todo por 999999 se obtiene a b c=37(a+b+c). \underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} = 37(a + b +c).

Nota que podemos expresar a b c\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} como 100a+10b+c.100a + 10b + c. Sustituyendo esto, obtenemos 100a+10b+c=37(a+b+c), 100a + 10b + c = 37(a + b + c), que se simplifica a 63a=27b+36c7a=3b+4c. \begin{aligned} 63a &= 27b + 36c \\ &\Rightarrow 7a = 3b + 4c. \end{aligned}

Todas las soluciones donde a=b=ca = b = c funcionan. La expresión 3b+4c3b + 4c permanece constante si aumentamos bb en 44 y disminuimos cc en 33. También podríamos disminuir bb en 44 y aumentar cc en 33.

Aplicando este principio a las primeras 99 ternas se obtienen (4,8,1),(5,1,8),(5,9,2),(6,2,9)(4, 8, 1), (5, 1, 8), (5, 9, 2), (6, 2, 9) como 44 soluciones más. Por lo tanto, hay un total de 1313 soluciones.

Por lo tanto, D es la respuesta correcta.

Let's find a closed form expression for each of the repeating decimals. We can write 0.a b c0.\overline{\underline{a}~\underline{b}~\underline{c}} as 0.a b c+0.000 a b c+. 0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} + 0.000 \ \underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} + \cdots.

From this, we can see that this an infinite geometric sequence with first term 0.a b c0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} and ratio 11000.\dfrac{1}{1000}.

Using the formula for the sum of a infinite geometric sequence, we get that this equals 0.a b c111000=a b c999. \dfrac{0.\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{1 - \dfrac{1}{1000}} = \dfrac{\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{999}.

Similarly, note that we can write 0.a0.\overline{a} as 0.a+0.0a+0.00a+. 0.a + 0.0a + 0.00a + \cdots.

As above, this equals 0.a1110=a9. \dfrac{0.a}{1 - \dfrac{1}{10}} = \dfrac{a}{9}. Therefore, 0.b=b9,0.c=c9. 0.\overline{b} = \dfrac{b}{9},\qquad 0.\overline{c} = \dfrac{c}{9}.

Substituting all these values into the condition, we get a b c999=13a+b+c9. \dfrac{\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c}}{999} = \dfrac{1}{3} \cdot \dfrac{a + b + c}{9}. Multiplying through by 999999 yields a b c=37(a+b+c). \underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} = 37(a + b +c).

Note that we can express a b c\underline{a} \ \underline{b} \ \underline{c} as 100a+10b+c.100a + 10b + c. Substituting this in, we get 100a+10b+c=37(a+b+c), 100a + 10b + c = 37(a + b + c), which simplifies to 63a=27b+36c7a=3b+4c. \begin{aligned} 63a &= 27b + 36c \\ &\Rightarrow 7a = 3b + 4c. \end{aligned}

All the solutions where a=b=ca = b = c work. The expression 3b+4c3b + 4c remains constant if we increase bb by 44 and decrease cc by 33. We could also decrease bb by 44 and increase cc by 33.

Applying this principles to the first 99 triples yields (4,8,1),(5,1,8),(5,9,2),(6,2,9)(4, 8, 1), (5, 1, 8), (5, 9, 2), (6, 2, 9) as 44 more solutions. Therefore, there are a total of 1313 solutions.

Thus, D is the correct solution.

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