1993 AIME Problem 14
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14.
A rectangle that is inscribed in a larger rectangle (with one vertex on each side) is called unstuck if it is possible to rotate (however slightly) the smaller rectangle about its center within the confines of the larger. Of all the rectangles that can be inscribed unstuck in a by rectangle, the smallest perimeter has the form for a positive integer Find
Answer: 448
Small Hint:
Center the -by- rectangle at the origin and parameterize consecutive inner vertices on the right and top sides
Big Hint:
Use equal half-diagonals to relate the two free coordinates, then express the square of the perimeter through the diagonal and area
Solution:
Opposite vertices lie on opposite sides of the outer rectangle, so the two rectangles have the same center. For a small rotation through angle a right-side contact at moves inward only if while a top-side contact at moves inward only if Thus an unstuck rectangle has opposite-signed offsets; after reflection, write its consecutive vertices as with Equal half-diagonals give so If its side lengths are then Therefore its perimeter satisfies Equality occurs at which gives a non-axis-aligned, hence unstuck, rectangle. Thus the minimum perimeter is and
Problem 14 in Other Years
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