2000 AIME II 第 15 题

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15.

求最小正整数 nn,使得 1sin⁡45∘sin⁡46∘+1sin⁡47∘sin⁡48∘+⋯+1sin⁡133∘sin⁡134∘=1sin⁡n∘。 \begin{aligned} &\frac{1}{\sin 45^\circ \sin 46^\circ} + \frac{1}{\sin 47^\circ \sin 48^\circ} \\ &\quad {}+ \cdots + \frac{1}{\sin 133^\circ \sin 134^\circ} \\ &= \frac{1}{\sin n^\circ} \end{aligned}\text{。}

Find the least positive integer nn such that 1sin⁡45∘sin⁡46∘+1sin⁡47∘sin⁡48∘+⋯+1sin⁡133∘sin⁡134∘=1sin⁡n∘. \begin{aligned} &\frac{1}{\sin 45^\circ \sin 46^\circ} + \frac{1}{\sin 47^\circ \sin 48^\circ} \\ &\quad {}+ \cdots + \frac{1}{\sin 133^\circ \sin 134^\circ} \\ &= \frac{1}{\sin n^\circ}. \end{aligned}

答案:1
知识点:三角恒等式裂项相消
难度评级:3060
小提示:

写出 sin⁡1∘=sin⁡((k+1)∘−k∘)\sin 1^\circ = \sin\big((k+1)^\circ - k^\circ\big) 可推出 1sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘=cot⁡k∘−cot⁡(k+1)∘sin⁡1∘\frac{1}{\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ} = \frac{\cot k^\circ - \cot(k+1)^\circ}{\sin 1^\circ}。

Write sin⁡1∘=sin⁡((k+1)∘−k∘)\sin 1^\circ = \sin\big((k+1)^\circ - k^\circ\big) to show 1sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘=cot⁡k∘−cot⁡(k+1)∘sin⁡1∘\frac{1}{\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ} = \frac{\cot k^\circ - \cot(k+1)^\circ}{\sin 1^\circ}

大提示:

使用 cot⁡(180∘−x)=−cot⁡x\cot(180^\circ - x) = -\cot x:互为补角的两个角的余切项会成对抵消,只留下 45∘45^\circ 项。

Use cot⁡(180∘−x)=−cot⁡x:\cot(180^\circ - x) = -\cot x: the cotangents at supplementary arguments cancel in pairs, leaving only the 45∘45^\circ term

解答:

因为 sin⁡1∘=sin⁡((k+1)∘−k∘)\sin 1^\circ = \sin\big((k+1)^\circ - k^\circ\big) =sin⁡(k+1)∘cos⁡k∘= \sin(k+1)^\circ \cos k^\circ −cos⁡(k+1)∘sin⁡k∘- \cos(k+1)^\circ \sin k^\circ,两边除以 sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ,得 1sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘=cot⁡k∘−cot⁡(k+1)∘sin⁡1∘。 \begin{aligned} &\small \frac{1}{\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ} \\ &\scriptsize = \frac{\cot k^\circ - \cot(k+1)^\circ}{\sin 1^\circ} \end{aligned}\text{。}因此原和乘以 sin⁡1∘\sin 1^\circ,等于 cot⁡45∘−cot⁡46∘+cot⁡47∘\cot 45^\circ - \cot 46^\circ + \cot 47^\circ −cot⁡48∘- \cot 48^\circ +⋯+cot⁡133∘−cot⁡134∘+ \cdots + \cot 133^\circ - \cot 134^\circ,其中 ++ 号对应奇数角,−- 号对应偶数角。

因为 cot⁡(180∘−x)=−cot⁡x\cot(180^\circ - x) = -\cot x,且这里互为补角的两个角奇偶性相同,所以各项按这样的角成对抵消:+cot⁡133∘+\cot 133^\circ 抵消 +cot⁡47∘+\cot 47^\circ,−cot⁡134∘-\cot 134^\circ 抵消 −cot⁡46∘-\cot 46^\circ,其余和为 180∘180^\circ 的角也都如此。仅剩 cot⁡45∘=1\cot 45^\circ = 1(它的配对角 135∘135^\circ 不在范围内)以及 −cot⁡90∘=0-\cot 90^\circ = 0。

所以原和等于 cot⁡45∘sin⁡1∘=1sin⁡1∘\frac{\cot 45^\circ}{\sin 1^\circ} = \frac{1}{\sin 1^\circ},满足条件的最小 nn 为 11。

Since sin⁡1∘=sin⁡((k+1)∘−k∘)\sin 1^\circ = \sin\big((k+1)^\circ - k^\circ\big) =sin⁡(k+1)∘cos⁡k∘= \sin(k+1)^\circ \cos k^\circ −cos⁡(k+1)∘sin⁡k∘,- \cos(k+1)^\circ \sin k^\circ, dividing by sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ gives 1sin⁡k∘sin⁡(k+1)∘=cot⁡k∘−cot⁡(k+1)∘sin⁡1∘. \begin{aligned} &\small \frac{1}{\sin k^\circ \sin(k+1)^\circ} \\ &\scriptsize = \frac{\cot k^\circ - \cot(k+1)^\circ}{\sin 1^\circ}. \end{aligned} So the sum times sin⁡1∘\sin 1^\circ equals cot⁡45∘−cot⁡46∘+cot⁡47∘\cot 45^\circ - \cot 46^\circ + \cot 47^\circ −cot⁡48∘- \cot 48^\circ +⋯+cot⁡133∘−cot⁡134∘,+ \cdots + \cot 133^\circ - \cot 134^\circ, with ++ signs on odd arguments and −- signs on even arguments.

Because cot⁡(180∘−x)=−cot⁡x\cot(180^\circ - x) = -\cot x and supplementary arguments here have the same parity, the terms cancel in supplementary pairs: +cot⁡133∘+\cot 133^\circ cancels +cot⁡47∘,+\cot 47^\circ, −cot⁡134∘-\cot 134^\circ cancels −cot⁡46∘,-\cot 46^\circ, and so on for every pair of arguments summing to 180∘.180^\circ. The only survivors are cot⁡45∘=1\cot 45^\circ = 1 (its partner 135∘135^\circ is out of range) and −cot⁡90∘=0.-\cot 90^\circ = 0.

Hence the sum equals cot⁡45∘sin⁡1∘=1sin⁡1∘,\frac{\cot 45^\circ}{\sin 1^\circ} = \frac{1}{\sin 1^\circ}, so the least such nn is 1.1.

第 14 题#14
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