2021 AMC 12B Spring Problema 21

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

21.

Sea SS la suma de todos los números reales positivos xx para los cuales x22=22x.x^{2^{\sqrt2}}=\sqrt2^{\,2^x}.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

Let SS be the sum of all positive real numbers xx for which x22=22x.x^{2^{\sqrt2}}=\sqrt2^{\,2^x}.

Which of the following statements is true?

S<2S\lt\sqrt2

S=2S=\sqrt2

2<S<2\sqrt2\lt S\lt 2

2S<62\le S\lt 6

S6S\ge 6

Respuesta: D
Conceptos:logaritmoacotación a casos límite
Nivel de dificultad: 2260
Solución:

Tomando log2,\log_2, la ecuación se convierte en 22log2x=2x1.2^{\sqrt2}\log_2 x=2^{x-1}. Sustituyendo x=2x=\sqrt2 da 2212=221,2^{\sqrt2}\cdot\tfrac12=2^{\sqrt2-1}, lo que se cumple, así que x=2x=\sqrt2 es una solución.

Sea f(x)=2x122log2x.f(x)=2^{x-1}-2^{\sqrt2}\log_2 x. Entonces f(1)>0,f(1)\gt 0, f(2)=0,f(\sqrt2)=0, f(2)<0,f(2)\lt 0, y f(4)>0,f(4)\gt 0, así que hay una segunda raíz x0x_0 entre 22 y 4.4.

Como 2x2^x no tiene otros cambios de signo, hay exactamente dos soluciones, y h(x)=lnx/2xh(x)=\ln x/2^x que está en x>1.x\gt1. 1/x(ln2)(lnx),1/x-(\ln2)(\ln x), hh 2<x0<4,2\lt x_0\lt4, 2<S=2+x0<6.2\lt S=\sqrt2+x_0\lt6.

Por lo tanto, la respuesta correcta es D.

Taking log2,\log_2, the equation becomes 22log2x=2x1.2^{\sqrt2}\log_2 x=2^{x-1}. Substituting x=2x=\sqrt2 gives 2212=221,2^{\sqrt2}\cdot\tfrac12=2^{\sqrt2-1}, which holds, so x=2x=\sqrt2 is a solution.

Let f(x)=2x122log2x.f(x)=2^{x-1}-2^{\sqrt2}\log_2 x. Then f(1)>0,f(1)\gt 0, f(2)=0,f(\sqrt2)=0, f(2)<0,f(2)\lt 0, and f(4)>0,f(4)\gt 0, so there is a second root x0x_0 between 22 and 4.4.

To prove there are no others, divide the equation by 2x2^x and consider h(x)=lnx/2xh(x)=\ln x/2^x for x>1.x\gt1. Its derivative has the sign of 1/x(ln2)(lnx),1/x-(\ln2)(\ln x), a strictly decreasing expression. Thus hh increases once and then decreases, so a horizontal line meets its graph at most twice. The two roots already found are all the solutions. Since 2<x0<4,2\lt x_0\lt4, we have 2<S=2+x0<6.2\lt S=\sqrt2+x_0\lt6.

Thus, the correct answer is D.

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