2010 AMC 12B 第 15 题

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15.

有多少个有序三元组 (x,y,z)(x, y, z) 满足:三个分量都是小于 2020 的非负整数,并且集合 {ix,(1+i)y,z}\{i^x, (1+i)^y, z\} 中恰好有两个不同的元素?其中 i=−1i=\sqrt{-1}。
For how many ordered triples (x,y,z)(x, y, z) of nonnegative integers less than 2020 are there exactly two distinct elements in the set {ix,(1+i)y,z},\{i^x, (1+i)^y, z\}, where i=−1?i=\sqrt{-1}?
149149
205205
215215
225225
235235
答案:D
知识点:复数分类讨论基本计数
小提示:
∣ix∣=1|i^x|=1 恒成立,而 (1+i)y(1+i)^y 的模为 2y22^{\frac{y}{2}}
∣ix∣=1|i^x|=1 always, while (1+i)y(1+i)^y has magnitude 2y22^{\frac{y}{2}}
大提示:
按三个数中哪两个相等、第三个不同分成三种情况
Split into three cases by which two of the three entries coincide, keeping the third distinct
解答:
我们需要 ixi^x,(1+i)y(1+i)^y,zz 中恰好有两个相等,第三个不同。三种情况对应三种可能的相等配对。
情况 ix=(1+i)yi^x=(1+i)^y: 因为 ∣ix∣=1|i^x|=1,而当 y≥1y\ge1 时 ∣(1+i)y∣=2y2>1|(1+i)^y|=2^{\frac{y}{2}}\gt1,所以必须有 y=0y=0。此时 (1+i)0=1(1+i)^0=1,且 ix=1i^x=1,即 x∈{0,4,8,12,16}x\in\{0,4,8,12,16\}。此时 zz 可以取除 11 以外的任意一个值,共有 1919 种选择,得到 5⋅19=955\cdot19=95 个三元组。
情况 ix=zi^x=z: ixi^x 中唯一的非负整数值是 11(当 xx 是 44 的倍数时),所以 z=1z=1,且 (1+i)y≠1(1+i)^y\ne1,即 y≥1y\ge1。这给出 5⋅19=955\cdot19=95 个三元组。
情况 (1+i)y=z(1+i)^y=z: 因为 (1+i)2=2i(1+i)^2=2i,所以 (1+i)y(1+i)^y 只有在 y=0y=0(值为 11)或 y=8y=8(值为 1616)时才是小于 2020 的非负整数。如果 y=0, z=1y=0,\ z=1,则需要 ix≠1i^x\ne1,所以 xx 不是 44 的倍数(1515 个值)。如果 y=8, z=16y=8,\ z=16,则 ixi^x 不可能等于 1616,所以 xx 可任取(2020 个值)。这一情况给出 15+20=3515+20=35 个三元组。
总数为 95+95+35=22595+95+35=225。
因此,正确答案是 D。
We need exactly two of ix,i^x, (1+i)y,(1+i)^y, zz equal, with the third different. The three cases are the three possible equal pairs.
Case ix=(1+i)y:i^x=(1+i)^y: since ∣ix∣=1|i^x|=1 but ∣(1+i)y∣=2y2>1|(1+i)^y|=2^{\frac{y}{2}}\gt1 for y≥1,y\ge1, we need y=0,y=0, so (1+i)0=1(1+i)^0=1 and ix=1,i^x=1, i.e. x∈{0,4,8,12,16}.x\in\{0,4,8,12,16\}. Then zz is any of the 1919 values other than 1.1. This gives 5⋅19=955\cdot19=95 triples.
Case ix=z:i^x=z: the only nonnegative-integer value of ixi^x is 11 (with xx a multiple of 44), so z=1z=1 and (1+i)y≠1,(1+i)^y\ne1, meaning y≥1.y\ge1. This gives 5⋅19=955\cdot19=95 triples.
Case (1+i)y=z:(1+i)^y=z: since (1+i)2=2i,(1+i)^2=2i, the power (1+i)y(1+i)^y is a nonnegative integer below 2020 only for y=0y=0 (value 11) or y=8y=8 (value 1616). If y=0, z=1,y=0,\ z=1, we need ix≠1,i^x\ne1, so xx is not a multiple of 44 (1515 values). If y=8, z=16,y=8,\ z=16, then ixi^x is never 16,16, so xx is free (2020 values). This gives 15+20=3515+20=35 triples.
Altogether 95+95+35=225.95+95+35=225.
Thus, the correct answer is D.
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