2008 AIME II 第 8 题

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8.

令 a=π2008a = \frac{\pi}{2008}。求最小的正整数 nn,使得 2[cos⁡(a)sin⁡(a)+cos⁡(4a)sin⁡(2a)+cos⁡(9a)sin⁡(3a)+⋯+cos⁡(n2a)sin⁡(na)] \begin{aligned} &2[\cos(a)\sin(a) + \cos(4a)\sin(2a) \\ &\quad {}+ \cos(9a)\sin(3a) \\ &\quad {}+ \cdots + \cos(n^2 a)\sin(na)] \end{aligned} 是整数。

Let a=π2008.a = \frac{\pi}{2008}. Find the smallest positive integer nn such that 2[cos⁡(a)sin⁡(a)+cos⁡(4a)sin⁡(2a)+cos⁡(9a)sin⁡(3a)+⋯+cos⁡(n2a)sin⁡(na)] \begin{aligned} &2[\cos(a)\sin(a) + \cos(4a)\sin(2a) \\ &\quad {}+ \cos(9a)\sin(3a) \\ &\quad {}+ \cdots + \cos(n^2 a)\sin(na)] \end{aligned} is an integer.

答案:251
知识点:三角恒等式裂项相消整除性
难度评级:2740
小提示:

使用积化和差公式,将每一项化为两个正弦项之差

Apply the product-to-sum identity to turn each term into a difference of two sine terms

大提示:

该和逐项抵消后化为 sin⁡(n(n+1)a)\sin(n(n+1)a),它为整数当且仅当 n(n+1)n(n+1) 是 10041004 的倍数

The sum telescopes to sin⁡(n(n+1)a),\sin(n(n+1)a), which is an integer exactly when n(n+1)n(n+1) is a multiple of 10041004

解答:

由积化和差公式,2cos⁡(k2a)sin⁡(ka)=sin⁡(k2a+ka)−sin⁡(k2a−ka)=sin⁡(k(k+1)a)−sin⁡((k−1)ka)。 \begin{aligned} &2\cos(k^2 a)\sin(ka) \\ &= \sin(k^2 a + ka) \\ &\quad {}- \sin(k^2 a - ka) \\ &= \sin(k(k+1)a) \\ &\quad {}- \sin((k-1)k a) \end{aligned}\text{。}对 k=1k = 1 到 nn 求和后,各项裂项相消,只剩 sin⁡(n(n+1)a)=sin⁡n(n+1)π2008。\sin(n(n+1)a) = \sin\frac{n(n+1)\pi}{2008}\text{。}

正弦值为整数只可能是 −1-1,00,或 11,也就是它的角必须是 π2\frac{\pi}{2} 的倍数。因此需要 n(n+1)2008\frac{n(n+1)}{2008} 是 12\frac{1}{2} 的倍数,即 n(n+1)n(n+1) 是 10041004 的倍数,其中 1004=4⋅2511004 = 4 \cdot 251,且 251251 是质数。

由于 nn 与 n+1n + 1 互质,251251 必须整除其中一个,所以 n≥250n \ge 250。当 n=250n = 250 时,乘积 250⋅251250 \cdot 251 不能被 44 整除。当 n=251n = 251 时,乘积 251⋅252251 \cdot 252 能被 4⋅251=10044 \cdot 251 = 1004 整除。最小这样的 nn 是 251251。

By the product-to-sum identity, 2cos⁡(k2a)sin⁡(ka)=sin⁡(k2a+ka)−sin⁡(k2a−ka)=sin⁡(k(k+1)a)−sin⁡((k−1)ka). \begin{aligned} &2\cos(k^2 a)\sin(ka) \\ &= \sin(k^2 a + ka) \\ &\quad {}- \sin(k^2 a - ka) \\ &= \sin(k(k+1)a) \\ &\quad {}- \sin((k-1)k a). \end{aligned} Summing over k=1k = 1 to n,n, the terms telescope, leaving sin⁡(n(n+1)a)=sin⁡n(n+1)π2008.\sin(n(n+1)a) = \sin\frac{n(n+1)\pi}{2008}.

A sine is an integer only when it is −1,-1, 0,0, or 1,1, that is, when its argument is a multiple of π2.\frac{\pi}{2}. So we need n(n+1)2008\frac{n(n+1)}{2008} to be a multiple of 12,\frac{1}{2}, i.e. n(n+1)n(n+1) is divisible by 1004,1004, where 1004=4⋅2511004 = 4 \cdot 251 and 251251 is prime.

Since nn and n+1n + 1 are coprime, 251251 must divide one of them, so n≥250.n \ge 250. For n=250n = 250 the product 250⋅251250 \cdot 251 is not divisible by 4.4. For n=251n = 251 the product 251⋅252251 \cdot 252 is divisible by 4⋅251=1004.4 \cdot 251 = 1004. The smallest such nn is 251.251.

第 7 题#7
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