2013 AMC 12B 第 25 题

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25.

设 GG 是所有如下形式多项式的集合:
P(z)=zn+cn−1zn−1+⋯+c2z2+c1z+50, \begin{aligned} &P(z) = z^n + c_{n-1}z^{n-1} + \cdots \\ &\quad {}+ c_2 z^2 + c_1 z + 50 \end{aligned}\text{,}
其中 c1c_1,c2c_2,…\ldots,cn−1c_{n-1} 是整数,并且 P(z)P(z) 有 nn 个互不相同的根,每个根形如 a+iba + ib,其中 aa、bb 为整数。集合 GG 中有多少个多项式?
Let GG be the set of polynomials of the form
P(z)=zn+cn−1zn−1+⋯+c2z2+c1z+50, \begin{aligned} &P(z) = z^n + c_{n-1}z^{n-1} + \cdots \\ &\quad {}+ c_2 z^2 + c_1 z + 50, \end{aligned}
where c1,c_1, c2,c_2, …,\ldots, cn−1c_{n-1} are integers and P(z)P(z) has nn distinct roots of the form a+iba + ib with aa and bb integers. How many polynomials are in G?G?
288288
528528
576576
992992
10561056
答案:B
知识点:多项式复数因数个数分类讨论
小提示:
实系数使非实根成共轭对,所以 P(z)P(z) 可分解为线性因子 (z−c)(z - c) 和二次因子 z2−2az+(a2+b2)z^2 - 2az + (a^2 + b^2),且每个因子的常数项都整除 5050。
Real coefficients pair nonreal roots as conjugates, so P(z)P(z) factors into linear (z−c)(z - c) and quadratic z2−2az+(a2+b2)z^2 - 2az + (a^2 + b^2) pieces, each with constant term dividing 5050
大提示:
对 5050 的每个因数 dd,数出大小为 dd 的基本因子,包括 a2+b2=da^2 + b^2 = d 的解以及 z±dz \pm d,再使所选因子的常数项乘积为 5050。
For each divisor dd of 50,50, count the basic factors of magnitude dd (solutions of a2+b2=d,a^2 + b^2 = d, plus z±dz \pm d), then multiply choices so the constant terms multiply to 5050
解答:
因为系数为实数,非实根成共轭对,所以 P(z)P(z) 可分解为互不相同的线性因子 (z−c)(z - c)(其中 c∈Zc \in \mathbb{Z})以及二次因子 (z−(a+ib))(z−(a−ib))(z - (a+ib))(z - (a-ib)) =z2−2az+(a2+b2)= z^2 - 2az + (a^2 + b^2)。每个因子的常数项都整除 5050。对 d=1,2,5,10,25,50d=1,2,5,10,25,50,满足 a2+b2=da^2+b^2=d 且 b≠0b\ne0 的共轭对个数依次为 1,2,4,4,5,61,2,4,4,5,6。再加上两个线性选择 z−d,z+dz-d,z+d,就得到 ∣B1∣=3|B_1|=3、∣B2∣=4|B_2|=4、∣B5∣=6|B_5|=6、∣B10∣=6|B_{10}|=6、∣B25∣=7|B_{25}|=7 和 ∣B50∣=8|B_{50}|=8。把 5050 分解成若干个大于 11 的因子大小之积,方式有 50,25⋅2,10⋅550,25\cdot2,10\cdot5 和 5⋅5⋅25\cdot5\cdot2。在最后一种方式中,各根互不相同要求选取两个不同的 B5B_5 因子。最后,再计入 z+1z+1 和 z2+1z^2+1 可以自由出现(而 z−1z-1 是否出现由其余因子乘积的符号决定),总数为 22(8+7⋅4+6⋅6+4(62))=4(8+28+36+60)=528。 \begin{aligned} &2^2\left(8 + 7\cdot 4 + 6\cdot 6 + 4\binom{6}{2}\right) \\ &\quad = 4(8 + 28 + 36 + 60) = 528 \end{aligned}\text{。} 所以正确答案是 B。
Since the coefficients are real, nonreal roots occur in conjugate pairs, so P(z)P(z) factors into distinct linear factors (z−c)(z - c) with c∈Zc \in \mathbb{Z} and quadratics (z−(a+ib))(z−(a−ib))(z - (a+ib))(z - (a-ib)) =z2−2az+(a2+b2).= z^2 - 2az + (a^2 + b^2). Each factor’s constant term divides 50.50. For d=1,2,5,10,25,50,d=1,2,5,10,25,50, the numbers of conjugate pairs with a2+b2=da^2+b^2=d and b≠0b\ne0 are 1,2,4,4,5,6,1,2,4,4,5,6, respectively. Adding the two linear choices z−d,z+dz-d,z+d gives ∣B1∣=3,|B_1|=3, ∣B2∣=4,|B_2|=4, ∣B5∣=6,|B_5|=6, ∣B10∣=6,|B_{10}|=6, ∣B25∣=7,|B_{25}|=7, and ∣B50∣=8.|B_{50}|=8. The factor-magnitude partitions of 5050 using values greater than 11 are 50,25⋅2,10⋅5,50,25\cdot2,10\cdot5, and 5⋅5⋅2.5\cdot5\cdot2. Distinct roots require choosing two different B5B_5 factors in the last case. Finally, account for the free presence of z+1z+1 and z2+1z^2+1 (with z−1z-1 forced by the sign of the remaining product), gives 22(8+7⋅4+6⋅6+4(62))=4(8+28+36+60)=528. \begin{aligned} &2^2\left(8 + 7\cdot 4 + 6\cdot 6 + 4\binom{6}{2}\right) \\ &\quad = 4(8 + 28 + 36 + 60) = 528. \end{aligned} Thus, the correct answer is B.
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