1991 AIME 第 15 题

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15.

对正整数 nn,定义 SnS_n 为下列和的最小值:k=1n(2k1)2+ak2\sum_{k=1}^n\sqrt{(2k-1)^2+a_k^2}\text{,}其中 a1a_1a2a_2\ldotsana_n 是和为 1717 的正实数。恰有一个正整数 nn 能使 SnS_n 也是整数。求这个 nn

For positive integer n,n, define SnS_n to be the minimum value of the sum k=1n(2k1)2+ak2,\sum_{k=1}^n\sqrt{(2k-1)^2+a_k^2}, where a1,a_1, a2,a_2, ,\ldots, ana_n are positive real numbers whose sum is 17.17. There is a unique positive integer nn for which SnS_n is also an integer. Find this n.n.

答案:12
知识点:三角不等式向量平方差
难度评级:2720
小提示:

将每个根式看作向量 (2k1,ak)(2k-1,a_k) 的长度,并应用三角不等式。

Interpret each radical as the length of a vector (2k1,ak)(2k-1,a_k) and apply the triangle inequality

大提示:

求出 SnS_n 后,利用它必须为整数这一条件,将所得平方差分解因式。

After finding SnS_n, factor the difference of two squares that results from requiring it to be an integer

解答:

两个分量之和分别为 k=1n(2k1)=n2\sum_{k=1}^n(2k-1)=n^2k=1nak=17\sum_{k=1}^na_k=17。因此向量的三角不等式给出 k=1n(2k1)2+ak2(n2)2+172=n4+289\begin{aligned}&\sum_{k=1}^n\sqrt{(2k-1)^2+a_k^2}\\&\quad\geq\sqrt{(n^2)^2+17^2}\\&\quad=\sqrt{n^4+289}\end{aligned}\text{。}aka_k2k12k-1 成正比即可取到等号,所以 Sn=n4+289S_n=\sqrt{n^4+289}

若它等于整数 mm,则 (mn2)(m+n2)=289=172(m-n^2)(m+n^2)=289=17^2\text{。}因数对 17,1717,17 给出 n=0n=0,而因数对 1,2891,289 给出 m=145m=145n2=144n^2=144。因此唯一的正整数 nn1212

The two component sums are k=1n(2k1)=n2\sum_{k=1}^n(2k-1)=n^2 and k=1nak=17.\sum_{k=1}^na_k=17. Therefore the triangle inequality for vectors gives k=1n(2k1)2+ak2(n2)2+172=n4+289.\begin{aligned}&\sum_{k=1}^n\sqrt{(2k-1)^2+a_k^2}\\&\quad\geq\sqrt{(n^2)^2+17^2}\\&\quad=\sqrt{n^4+289}.\end{aligned} Equality is attainable by taking aka_k proportional to 2k1,2k-1, so Sn=n4+289.S_n=\sqrt{n^4+289}.

If this is the integer m,m, then (mn2)(m+n2)=289=172.(m-n^2)(m+n^2)=289=17^2. The factor pair 17,1717,17 gives n=0,n=0, while the pair 1,2891,289 gives m=145m=145 and n2=144.n^2=144. Thus the unique positive nn is 12.12.

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