2021 AIME I 第 3 题

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3.

求小于 10001000 且可以表示为两个 22 的整数次幂之差的正整数个数。

Find the number of positive integers less than 10001000 that can be expressed as the difference of two integral powers of 2.2.

答案:50
知识点:2的幂因式分解分类讨论
难度评级:2110
小提示:

每个这样的差都可写成 2b(2c−1)2^b(2^c - 1),其中 c≥1c \ge 1,并且它的奇数部分 2c−12^c - 1 会确定 cc

Every such difference is 2b(2c−1)2^b(2^c - 1) with c≥1,c \ge 1, and its odd part 2c−12^c - 1 identifies cc

大提示:

不同的数对 (b,c)(b, c) 给出不同的值,所以对每个 cc 分别统计小于 10001000 的值。注意:63⋅16=100863 \cdot 16 = 1008 会打破前面的模式。

Distinct pairs (b,c)(b, c) give distinct values, so count values below 10001000 for each cc separately. Beware: 63⋅16=100863 \cdot 16 = 1008 breaks the pattern.

解答:

两个 22 的幂之差为 2a−2b=2b(2c−1)2^a - 2^b = 2^b(2^c - 1),其中 c=a−b≥1c = a - b \ge 1。因为 2c−12^c - 1 是奇数,所以该数的奇数部分确定 cc,而 22 的幂次部分确定 bb,因此不同的数对 (b,c)(b, c) 会给出不同整数。只需统计满足 2b(2c−1)<10002^b(2^c - 1) \lt 1000 的数对。

对 c=1,2,…,9c = 1, 2, \ldots, 9,因子 2c−12^c - 1 分别为 1,3,7,15,31,63,127,255,5111, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255, 511,允许的 bb 的个数分别为 10,9,8,7,6,4,3,2,110, 9, 8, 7, 6, 4, 3, 2, 1(6363 的计数降为 44,因为 63⋅16=1008>100063 \cdot 16 = 1008 \gt 1000,而 31⋅32=99231 \cdot 32 = 992 仍然符合)。

总数为 10+9+8+7+610 + 9 + 8 + 7 + 6 +4+3+2+1=50+ 4 + 3 + 2 + 1 = 50。

A difference of powers of 22 is 2a−2b=2b(2c−1)2^a - 2^b = 2^b(2^c - 1) where c=a−b≥1.c = a - b \ge 1. Since 2c−12^c - 1 is odd, the odd part of the number determines cc and the power of 22 determines b,b, so distinct pairs (b,c)(b, c) yield distinct integers. It suffices to count pairs with 2b(2c−1)<1000.2^b(2^c - 1) \lt 1000.

For c=1,2,…,9c = 1, 2, \ldots, 9 the factor 2c−12^c - 1 is 1,3,7,15,31,63,127,255,511,1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255, 511, and the number of allowed values of bb is 10,9,8,7,6,4,3,2,110, 9, 8, 7, 6, 4, 3, 2, 1 respectively (the count for 6363 drops to 44 because 63⋅16=1008>1000,63 \cdot 16 = 1008 \gt 1000, while 31⋅32=99231 \cdot 32 = 992 still fits).

The total is 10+9+8+7+610 + 9 + 8 + 7 + 6 +4+3+2+1=50.+ 4 + 3 + 2 + 1 = 50.

第 2 题#2
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