2001 AIME I 第 9 题

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9.

在三角形 ABCABC 中,AB=13AB = 13、BC=15BC = 15、CA=17CA = 17。点 DD 在 AB‾\overline{AB} 上,点 EE 在 BC‾\overline{BC} 上,点 FF 在 CA‾\overline{CA} 上。令 AD=p⋅ABAD = p \cdot AB、BE=q⋅BCBE = q \cdot BC、CF=r⋅CACF = r \cdot CA,其中 pp、qq、rr 为正数,且满足 p+q+r=23p + q + r = \frac{2}{3} 和 p2+q2+r2=25p^2 + q^2 + r^2 = \frac{2}{5}。三角形 DEFDEF 与三角形 ABCABC 的面积比可写成 mn\frac{m}{n},其中 mm 和 nn 是互质正整数。求 m+nm + n。

In triangle ABC,ABC, AB=13,AB = 13, BC=15,BC = 15, and CA=17.CA = 17. Point DD is on AB‾,\overline{AB}, EE is on BC‾,\overline{BC}, and FF is on CA‾.\overline{CA}. Let AD=p⋅AB,AD = p \cdot AB, BE=q⋅BC,BE = q \cdot BC, and CF=r⋅CA,CF = r \cdot CA, where p,p, q,q, and rr are positive and satisfy p+q+r=23p + q + r = \frac{2}{3} and p2+q2+r2=25.p^2 + q^2 + r^2 = \frac{2}{5}. The ratio of the area of triangle DEFDEF to the area of triangle ABCABC can be written in the form mn,\frac{m}{n}, where mm and nn are relatively prime positive integers. Find m+n.m + n.

答案:61
知识点:面积比对称性(代数)代数变形
难度评级:2560
小提示:

减去三个角上的三角形:[DEF][ABC]=1\frac{[DEF]}{[ABC]} = 1 −p(1−r)- p(1-r) −q(1−p)- q(1-p) −r(1−q)- r(1-q)。

Subtract the three corner triangles: [DEF][ABC]=1\frac{[DEF]}{[ABC]} = 1 −p(1−r)- p(1-r) −q(1−p)- q(1-p) −r(1−q)- r(1-q)

大提示:

pq+qr+rp=(p+q+r)2−(p2+q2+r2)2pq + qr + rp = \frac{(p+q+r)^2 - (p^2+q^2+r^2)}{2}。

pq+qr+rp=(p+q+r)2−(p2+q2+r2)2pq + qr + rp = \frac{(p+q+r)^2 - (p^2+q^2+r^2)}{2}

解答:

每个角上的小三角形面积都是对应边长比例的乘积:[ADF]=p(1−r)[ABC][ADF] = p(1-r)[ABC]、[BED]=q(1−p)[ABC][BED] = q(1-p)[ABC]、[CFE]=r(1−q)[ABC][CFE] = r(1-q)[ABC]。这里使用的是共用角下的 12xysin⁡θ\frac{1}{2}xy\sin\theta 面积公式。相减得 [DEF][ABC]=1−p(1−r)−q(1−p)−r(1−q)=1−(p+q+r)+(pq+qr+rp)。 \begin{aligned} \frac{[DEF]}{[ABC]} &= 1 - p(1-r) \\ &\quad {}- q(1-p) - r(1-q) \\ &= 1 - (p+q+r) \\ &\quad {}+ (pq+qr+rp) \end{aligned}\text{。}

由题给条件,pq+qr+rp=(23)2−252pq + qr + rp = \frac{(\frac{2}{3})^2 - \frac{2}{5}}{2} =49−252= \frac{\frac{4}{9} - \frac{2}{5}}{2} =145= \frac{1}{45}。

因此面积比为 1−23+145=16451 - \frac{2}{3} + \frac{1}{45} = \frac{16}{45},所以 m+n=16+45=61m + n = 16 + 45 = 61。

Each corner triangle’s area is a product of side fractions: [ADF]=p(1−r)[ABC],[ADF] = p(1-r)[ABC], [BED]=q(1−p)[ABC],[BED] = q(1-p)[ABC], and [CFE]=r(1−q)[ABC],[CFE] = r(1-q)[ABC], using the formula 12xysin⁡θ\frac{1}{2}xy\sin\theta on the shared angles. Subtracting, [DEF][ABC]=1−p(1−r)−q(1−p)−r(1−q)=1−(p+q+r)+(pq+qr+rp). \begin{aligned} \frac{[DEF]}{[ABC]} &= 1 - p(1-r) \\ &\quad {}- q(1-p) - r(1-q) \\ &= 1 - (p+q+r) \\ &\quad {}+ (pq+qr+rp). \end{aligned}

From the given values, pq+qr+rp=(23)2−252pq + qr + rp = \frac{(\frac{2}{3})^2 - \frac{2}{5}}{2} =49−252= \frac{\frac{4}{9} - \frac{2}{5}}{2} =145.= \frac{1}{45}.

Therefore the ratio is 1−23+145=1645,1 - \frac{2}{3} + \frac{1}{45} = \frac{16}{45}, and m+n=16+45=61.m + n = 16 + 45 = 61.

第 8 题#8
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