2021 AIME I 第 15 题
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15.
设 为所有正整数 的集合,使得两条抛物线 和 相交于四个不同的点,并且这四点位于一个半径至多为 的圆上。求 的最小元素与 的最大元素之和。
Let be the set of positive integers such that the two parabolas and intersect in four distinct points, and these four points lie on a circle with radius at most Find the sum of the least element of and the greatest element of
小提示:
任何经过全部四个交点的二次曲线都可由两个给定方程组合得到;选择权重使 与 的系数相等
Any conic through all four intersection points is a combination of the two given equations; choose the weights that make the and coefficients equal
大提示:
得到的圆的半径平方随 线性增长,这给出 的上界;对于较小的 ,检查关于 的四次方程只有两个实根
The resulting circle’s squared radius grows linearly in which caps above; for small check that the quartic in has only two real roots
解答:
将方程 加上 倍的 ,得到一条经过所有交点、且 与 系数相等的二次曲线: 这是圆心为 的圆,其半径平方为 。所以只要存在四个不同交点,它们就共圆;并且半径至多 当且仅当 ,也就是对整数而言 。
将 代入第二条抛物线,得到四次方程 ,其中 。当 时:若 ,则 ;若 ,则 且 ,所以 。因此在 时没有交点。又因为 恰有一个正根, 至多有两个正根;由 、 可知恰有两个正根。所以 不符合。
当 时,有 ,因此 。在 上,,所以其中恰有一个根;该根在 处(当 时)。当 时,端点处导数为负,故其右侧的 立即变为负;当 时,端点处的函数值已经为负。由于 ,区间 中有第二个根。最后, 且 ,所以 与 中各有一个根。这四个根互不相同,而四次方程不可能还有其他根。
因此 ,答案为 。
Adding the equation to times gives a conic through all intersection points with equal and coefficients: a circle centered at with squared radius So whenever four distinct intersection points exist, they are concyclic, and the radius is at most exactly when i.e. for integers.
Substituting into the second parabola gives the quartic where For if then and if then while so thus there are no intersections with and since has exactly one positive root, has at most (and, by exactly) two positive roots. So fails.
For we have so On we have so there is exactly one root there (at when ). If the negative derivative at that endpoint makes negative immediately to its right; if it is already negative at the endpoint. Since there is a second root in Finally, and so there is one root in each of and These four roots are distinct, and a quartic has no others.
Hence and the answer is
其他年份的第 15 题
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