2017 AIME II 第 15 题
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15.
四面体 满足 , , 且 。 对空间中任意点 ,定义 。 的最小可能值可表示为 ,其中 和 是正整数,且 不被任何质数的平方整除。求 。
Tetrahedron has and For any point in space, define The least possible value of can be expressed as where and are positive integers, and is not divisible by the square of any prime. Find
答案:682
解答:
令 和 分别为 和 的中点。 从 和从 到 的中线相等,因为三角形 和 由 ; 全等;由中线长公式, ,所以 。同理 。于是 , 作为等腰三角形 和 的中线,分别垂直于 和 ,所以绕直线 的 旋转会交换 和 。另外 。
对任意点 ,令 为它在该旋转下的像,令 为 的中点, 则 在直线 上。此时 ,且 ,所以 因为三角形的一条中线不超过相邻两边之和的一半。因此只需在直线 上的点 Q 中最小化 。
把 绕直线 旋转到 与直线 所在的平面内,并落在 相对于 的另一侧,得到点 ,其中 。对于直线 上的 ,,当线段 与 相交时取等号。因为 且 ,并且 ,, 因此 的最小值为 ,而 无平方因子,所以 。
Let and be the midpoints of and The medians from and from to are equal, since triangles and are congruent by by the median length formula, so Likewise Then as a median of the isosceles triangles and is perpendicular to both and so the rotation about line swaps and Also
For any point let be its image under this rotation, and let be the midpoint of which lies on line Then and so because a median of a triangle is at most half the sum of the two adjacent sides. So it suffices to minimize over points on line
Rotate about line into the plane of and line on the opposite side of from landing at with For on line with equality where segment crosses Since and with and Hence the minimum of is and since is squarefree,
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