2016 AMC 12A Problema 25

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

25.

Sea kk un entero positivo. Bernardo y Silvia se turnan para escribir y borrar números en una pizarra de la siguiente manera: Bernardo empieza escribiendo el menor cuadrado perfecto con k+1k+1 dígitos. Cada vez que Bernardo escribe un número, Silvia borra los últimos kk dígitos de él. Bernardo escribe entonces el siguiente cuadrado perfecto, Silvia borra los últimos kk dígitos, y este proceso continúa hasta que los dos últimos números que quedan en la pizarra difieren en al menos 2.2. Sea f(k)f(k) el menor entero positivo que no se escribió en la pizarra. Por ejemplo, si k=1,k=1, los números que Bernardo escribe son 16,16, 25,25, 36,36, 49,49, y 64,64, y los números que muestran en la pizarra tras borrar Silvia son 1,1, 2,2, 3,3, 4,4, y 6,6, de modo que f(1)=5.f(1)=5. ¿Cuál es la suma de los dígitos de f(2)+f(4)f(2)+f(4) +f(6)++f(2016)+f(6)+\cdots+f(2016)?

Let kk be a positive integer. Bernardo and Silvia take turns writing and erasing numbers on a blackboard as follows: Bernardo starts by writing the smallest perfect square with k+1k+1 digits. Every time Bernardo writes a number, Silvia erases the last kk digits of it. Bernardo then writes the next perfect square, Silvia erases the last kk digits of it, and this process continues until the last two numbers that remain on the board differ by at least 2.2. Let f(k)f(k) be the smallest positive integer not written on the board. For example, if k=1,k=1, then the numbers that Bernardo writes are 16,16, 25,25, 36,36, 49,49, and 64,64, and the numbers showing on the board after Silvia erases are 1,1, 2,2, 3,3, 4,4, and 6,6, and thus f(1)=5.f(1)=5. What is the sum of the digits of f(2)+f(4)f(2)+f(4) +f(6)++f(2016)?+f(6)+\cdots+f(2016)?

79867986

80028002

80308030

80488048

80648064

Respuesta: E
Conceptos:cuadrado perfectofunciones piso y techodígitos
Nivel de dificultad: 2720
Pista pequeña:

Para el caso par k=2j,k=2j, los números mostrados son n210k\left\lfloor \frac{n^2}{10^{k}}\right\rfloor para n10jn\ge 10^{j}.

For even k=2j,k=2j, the numbers shown are n210k\left\lfloor \frac{n^2}{10^{k}}\right\rfloor for n10jn\ge 10^{j}

Pista grande:

Demuestra que f(2j)=102j4+10j,f(2j)=\dfrac{10^{2j}}{4}+10^{j}, luego suma sobre jj.

Show f(2j)=102j4+10j,f(2j)=\dfrac{10^{2j}}{4}+10^{j}, then add over jj

Solución:

Tomemos k=2j.k=2j. El menor cuadrado perfecto con k+1k+1 cifras es 10k=(10j)2,10^{k}=(10^{j})^2, y después de que Silvia borra las cifras, los números mostrados son n210k\left\lfloor \frac{n^2}{10^{k}}\right\rfloor para n=10j,10j+1,n=10^{j}, 10^{j}+1,\ldots

Sea M=10k.M=10^k. Un salto de al menos 22 de nn a n+1n+1 exige (n+1)2n2=2n+1>M,(n+1)^2-n^2=2n+1\gt M, así que escribimos n=M2+mn=\frac{M}{2}+m con m0.m\ge0. El caso m=0m=0 produce un salto de solo 1,1, de modo que el primer salto mayor tiene m1.m\ge1. Sean A=n2MA=\left\lfloor \frac{n^2}{M}\right\rfloor y B=(n+1)2M.B=\left\lfloor\frac{(n+1)^2}{M}\right\rfloor. Como MM es divisible por 4,4, A=M4+m+m2M,B=M4+m+1+(m+1)2M. \begin{aligned} A&=\dfrac M4+m+\left\lfloor\dfrac{m^2}{M}\right\rfloor,\\ B&=\dfrac M4+m+1\\ &\quad{}+\left\lfloor\dfrac{(m+1)^2}{M}\right\rfloor. \end{aligned}

Por tanto, el primer salto de al menos 22 ocurre para el primer mm tal que m2<M(m+1)2.m^2\lt M\le(m+1)^2. Como M=10j,\sqrt M=10^j, este valor es m=10j1.m=10^j-1. El último valor mostrado antes del hueco es M4+10j1,\frac{M}{4}+10^j-1, así que el menor entero ausente es f(2j)=102j4+10j.f(2j)=\dfrac{10^{2j}}4+10^j.

Sumando para j=1,,1008,j=1,\ldots,1008, j=11008f(2j)=25j=01007102j+10j=0100710j=2525252016 dıˊgitos+111101009 dıˊgitos. \begin{gathered} \sum_{j=1}^{1008}f(2j)\\ =25\sum_{j=0}^{1007}10^{2j}\\ {}+10\sum_{j=0}^{1007}10^{j}\\ =\underbrace{2525\cdots25}_{2016\text{ dígitos}}\\ {}+\underbrace{111\cdots10}_{1009\text{ dígitos}}. \end{gathered} No hay acarreos, así que la suma de cifras es 1008(2+5)1008\cdot(2+5) +10081=10088=8064.+1008\cdot 1=1008\cdot 8=8064.

Por tanto, la respuesta correcta es E.

Take k=2j.k=2j. The smallest perfect square with k+1k+1 digits is 10k=(10j)2,10^{k}=(10^{j})^2, and after Silvia erases, the numbers shown are n210k\left\lfloor \frac{n^2}{10^{k}}\right\rfloor for n=10j,10j+1,n=10^{j}, 10^{j}+1,\ldots

Put M=10k.M=10^k. A jump of at least 22 from nn to n+1n+1 requires (n+1)2n2=2n+1>M,(n+1)^2-n^2=2n+1\gt M, so write n=M2+mn=\frac{M}{2}+m with m0.m\ge0. The case m=0m=0 gives a jump of only 1,1, so the first larger jump has m1.m\ge1. Let A=n2MA=\left\lfloor \frac{n^2}{M}\right\rfloor and B=(n+1)2M.B=\left\lfloor\frac{(n+1)^2}{M}\right\rfloor. Because MM is divisible by 4,4, A=M4+m+m2M,B=M4+m+1+(m+1)2M. \begin{aligned} A&=\dfrac M4+m+\left\lfloor\dfrac{m^2}{M}\right\rfloor,\\ B&=\dfrac M4+m+1\\ &\quad{}+\left\lfloor\dfrac{(m+1)^2}{M}\right\rfloor. \end{aligned}

Therefore the first jump of at least 22 occurs at the first mm for which m2<M(m+1)2.m^2\lt M\le(m+1)^2. Since M=10j,\sqrt M=10^j, this is m=10j1.m=10^j-1. The last displayed value before the gap is M4+10j1,\frac{M}{4}+10^j-1, so the smallest missing integer is f(2j)=102j4+10j.f(2j)=\dfrac{10^{2j}}4+10^j.

Summing over j=1,,1008,j=1,\ldots,1008, j=11008f(2j)=25j=01007102j+10j=0100710j=2525252016 digits+111101009 digits. \begin{gathered} \sum_{j=1}^{1008}f(2j)\\ =25\sum_{j=0}^{1007}10^{2j}\\ {}+10\sum_{j=0}^{1007}10^{j}\\ =\underbrace{2525\cdots25}_{2016\text{ digits}}\\ {}+\underbrace{111\cdots10}_{1009\text{ digits}}. \end{gathered} There are no carries, so the digit sum is 1008(2+5)1008\cdot(2+5) +10081=10088=8064.+1008\cdot 1=1008\cdot 8=8064.

Thus, the correct answer is E.

Problema 24#24
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