2007 AMC 12A 第 24 题

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24.

对每个整数 n>1n\gt 1,设 F(n)F(n) 为方程 sin⁡x=sin⁡nx\sin x=\sin nx 在区间 [0,π][0,\pi] 上的解的个数。求 ∑n=22007F(n)\displaystyle\sum_{n=2}^{2007}F(n)?
For each integer n>1,n\gt 1, let F(n)F(n) be the number of solutions of the equation sin⁡x=sin⁡nx\sin x=\sin nx on the interval [0,π].[0,\pi]. What is ∑n=22007F(n)?\displaystyle\sum_{n=2}^{2007}F(n)?
2,014,5242{,}014{,}524
2,015,0282{,}015{,}028
2,015,0332{,}015{,}033
2,016,5322{,}016{,}532
2,017,0332{,}017{,}033
答案:D
知识点:三角学交点计数求和
小提示:
F(n)F(n) 计数 [0,π][0,\pi] 上 y=sin⁡xy=\sin x 与 y=sin⁡nxy=\sin nx 的交点,通常 sin⁡nx\sin nx 的每个波峰对应两个交点。
F(n)F(n) counts intersections of y=sin⁡xy=\sin x and y=sin⁡nxy=\sin nx on [0,π],[0,\pi], usually two per hump of sin⁡nx\sin nx
大提示:
除了 n≡1(mod4)n\equiv 1\pmod 4 时共享最大值会使数量降为 nn,其余情况 F(n)=n+1F(n)=n+1。
F(n)=n+1F(n)=n+1 except when n≡1(mod4),n\equiv 1\pmod 4, where a shared maximum drops it to nn
解答:
在每个 sin⁡nx≥0\sin nx\ge 0 的区间内,sin⁡x\sin x 和 sin⁡nx\sin nx 的图像相交两次,除非它们在那里共享值 11,此时只相交一次。数出这些波峰并加上端点 (π,0)(\pi,0),可得到以下结论。
当 nn 为偶数或 n≡3(mod4)n\equiv 3\pmod 4 时,F(n)=n+1F(n)=n+1;当 n≡1(mod4)n\equiv 1\pmod 4 时, F(n)=nF(n)=n。
因此 ∑n=22007F(n)=∑n=22007(n+1)−#{n≡1 ⁣ ⁣(mod4)}。 \begin{aligned} &\sum_{n=2}^{2007}F(n) \\ &=\sum_{n=2}^{2007}(n+1) \\ &\quad {}-\#\{n\equiv 1\!\!\pmod 4\}\text{。} \end{aligned} 第一个和为 2,017,0332{,}017{,}033,该范围内有 501501 个 n≡1(mod4)n\equiv 1\pmod 4,所以结果为 2,017,033−501=2,016,5322{,}017{,}033-501=2{,}016{,}532。
因此,正确答案是 D。
On each interval where sin⁡nx≥0,\sin nx\ge 0, the graphs of sin⁡x\sin x and sin⁡nx\sin nx meet twice, unless they share the value 11 there, in which case they meet once. Counting the humps and the endpoint at (π,0)(\pi,0) gives
F(n)=n+1F(n)=n+1 when nn is even or n≡3(mod4),n\equiv 3\pmod 4, and F(n)=nF(n)=n when n≡1(mod4).n\equiv 1\pmod 4.
Thus ∑n=22007F(n)=∑n=22007(n+1)−#{n≡1 ⁣ ⁣(mod4)}. \begin{aligned} &\sum_{n=2}^{2007}F(n) \\ &=\sum_{n=2}^{2007}(n+1) \\ &\quad {}-\#\{n\equiv 1\!\!\pmod 4\}. \end{aligned} The first sum is 2,017,033,2{,}017{,}033, and there are 501501 values n≡1(mod4)n\equiv 1\pmod 4 in the range, giving 2,017,033−501=2,016,532.2{,}017{,}033-501=2{,}016{,}532.
Thus, the correct answer is D.
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