2011 AIME II 第 15 题

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15.

设 P(x)=x2−3x−9P(x) = x^2 - 3x - 9。从区间 5≤x≤155 \le x \le 15 中随机选择一个实数 xx。等式 ⌊P(x)⌋=P(⌊x⌋)\left\lfloor \sqrt{P(x)} \right\rfloor = \sqrt{P(\lfloor x \rfloor)} 成立的概率为 a+b+c−de\frac{\sqrt{a} + \sqrt{b} + \sqrt{c} - d}{e},其中 aa、bb、cc、dd、ee 是正整数。求 a+b+c+d+ea + b + c + d + e。

Let P(x)=x2−3x−9.P(x) = x^2 - 3x - 9. A real number xx is chosen at random from the interval 5≤x≤15.5 \le x \le 15. The probability that ⌊P(x)⌋=P(⌊x⌋)\left\lfloor \sqrt{P(x)} \right\rfloor = \sqrt{P(\lfloor x \rfloor)} is equal to a+b+c−de,\frac{\sqrt{a} + \sqrt{b} + \sqrt{c} - d}{e}, where a,a, b,b, c,c, d,d, and ee are positive integers. Find a+b+c+d+e.a + b + c + d + e.

答案:850
知识点:取整函数几何概率完全平方数分类讨论
难度评级:3370
小提示:

对 x∈[n,n+1)x \in [n, n+1),右边是 P(n)\sqrt{P(n)},它必须是整数:找出使 P(n)P(n) 为完全平方数的 nn。

For x∈[n,n+1)x \in [n, n+1) the right side is P(n),\sqrt{P(n)}, which must be an integer: find the nn with P(n)P(n) a perfect square

大提示:

只有 n=5n = 5、66、1313 可行;在每个这样的区间上,解 P(x)<(P(n)+1)2P(x) \lt \left(\sqrt{P(n)} + 1\right)^2 得到有效子区间。

Only n=5,n = 5, 6,6, and 1313 work; on each such interval solve P(x)<(P(n)+1)2P(x) \lt \left(\sqrt{P(n)} + 1\right)^2 for the valid subinterval

解答:

对 x∈[n,n+1)x \in [n, n + 1),右边为 P(n)\sqrt{P(n)},必须是整数,所以 P(n)=n2−3n−9P(n) = n^2 - 3n - 9 必须是完全平方数。当 n=5n = 5、66、…\ldots、1414 时,这些值依次为 11、99、1919、3131、4545、6161、7979、9999、121121、145145:其中只有 n=5n = 5、66、1313 给出平方数,对应 P(n)=1\sqrt{P(n)} = 1、33、1111。

PP 在 [5,15][5, 15] 上递增,所以对 x∈[n,n+1)x \in [n, n + 1),自动有 P(x)≥P(n)\sqrt{P(x)} \ge \sqrt{P(n)},而 ⌊P(x)⌋=P(n)=m\left\lfloor \sqrt{P(x)} \right\rfloor = \sqrt{P(n)} = m 当且仅当 P(x)<(m+1)2P(x) \lt (m + 1)^2,即 x<3+45+4(m+1)22x \lt \frac{3 + \sqrt{45 + 4(m+1)^2}}{2}。当 m=1m = 1、33、1111 时,分界点分别为 3+612\frac{3 + \sqrt{61}}{2},3+1092\frac{3 + \sqrt{109}}{2},3+6212\frac{3 + \sqrt{621}}{2},它们都落在对应的单位区间内,所以成功子区间长度分别为 61−72\frac{\sqrt{61} - 7}{2},109−92\frac{\sqrt{109} - 9}{2},621−232\frac{\sqrt{621} - 23}{2}。

区间 [5,15][5, 15] 的长度为 1010,所以概率为 110⋅61+109+621−392=61+109+621−3920, \begin{aligned} &\frac{1}{10} \\ &\quad {}\cdot \frac{\sqrt{61} + \sqrt{109} + \sqrt{621} - 39}{2} \\ &= \frac{\sqrt{61} + \sqrt{109} + \sqrt{621} - 39}{20} \end{aligned}\text{,}因而 a+b+c+d+e=a + b + c + d + e = 61+109+621+39+20=61 + 109 + 621 + 39 + 20 = 850850。

For x∈[n,n+1)x \in [n, n + 1) the right-hand side is P(n),\sqrt{P(n)}, which must be an integer, so P(n)=n2−3n−9P(n) = n^2 - 3n - 9 must be a perfect square. For n=5,n = 5, 6,6, …,\ldots, 1414 the values are 1,1, 9,9, 19,19, 31,31, 45,45, 61,61, 79,79, 99,99, 121,121, 145:145: only n=5,n = 5, 6,6, and 1313 give squares, with P(n)=1,\sqrt{P(n)} = 1, 3,3, and 11,11, respectively.

PP is increasing on [5,15],[5, 15], so for x∈[n,n+1)x \in [n, n + 1) we automatically have P(x)≥P(n),\sqrt{P(x)} \ge \sqrt{P(n)}, and ⌊P(x)⌋=P(n)=m\left\lfloor \sqrt{P(x)} \right\rfloor = \sqrt{P(n)} = m holds exactly when P(x)<(m+1)2,P(x) \lt (m + 1)^2, i.e. x<3+45+4(m+1)22.x \lt \frac{3 + \sqrt{45 + 4(m+1)^2}}{2}. For m=1,m = 1, 3,3, and 1111 the cutoffs are 3+612,\frac{3 + \sqrt{61}}{2}, 3+1092,\frac{3 + \sqrt{109}}{2}, 3+6212,\frac{3 + \sqrt{621}}{2}, each lying inside the corresponding unit interval, so the successful subintervals have lengths 61−72,\frac{\sqrt{61} - 7}{2}, 109−92,\frac{\sqrt{109} - 9}{2}, 621−232.\frac{\sqrt{621} - 23}{2}.

The interval [5,15][5, 15] has length 10,10, so the probability is 110⋅61+109+621−392=61+109+621−3920, \begin{aligned} &\frac{1}{10} \\ &\quad {}\cdot \frac{\sqrt{61} + \sqrt{109} + \sqrt{621} - 39}{2} \\ &= \frac{\sqrt{61} + \sqrt{109} + \sqrt{621} - 39}{20}, \end{aligned} giving a+b+c+d+e=a + b + c + d + e = 61+109+621+39+20=61 + 109 + 621 + 39 + 20 = 850.850.

第 14 题#14
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