2024 AMC 12A 第 25 题

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25.

如果一个图像关于某条直线反射后保持不变,则称它关于这条直线对称。有多少个整数四元组 (a,b,c,d)(a,b,c,d),其中 ∣a∣|a|,∣b∣|b|,∣c∣|c|,∣d∣≤5|d|\le5,且 cc 和 dd 不同时为 00,使得 y=ax+bcx+d y=\frac{ax+b}{cx+d} 的图像关于直线 y=xy=x 对称?
A graph is symmetric about a line if the graph remains unchanged after reflection in that line. For how many quadruples of integers (a,b,c,d),(a,b,c,d), where ∣a∣,|a|, ∣b∣,|b|, ∣c∣,|c|, ∣d∣≤5|d|\le5 and cc and dd are not both 0,0, is the graph of y=ax+bcx+d y=\frac{ax+b}{cx+d} symmetric about the line y=x?y=x?
12821282
12921292
13101310
13201320
13301330
答案:B
知识点:函数分类讨论
小提示:
将 y=f(x)y=f(x) 关于 y=xy=x 反射得到它的反函数,所以对称意味着 ff 等于自己的反函数
Reflecting y=f(x)y=f(x) over y=xy=x gives its inverse, so symmetry means ff is its own inverse
大提示:
映射 ax+bcx+d\dfrac{ax+b}{cx+d} 是对合,当且仅当 a+d=0a+d=0(且非退化);还要计入恒等函数 y=xy=x。
A map ax+bcx+d\dfrac{ax+b}{cx+d} is an involution exactly when a+d=0a+d=0 (and it is nondegenerate); also count the identity y=xy=x
解答:
将 y=f(x)y=f(x) 的图像关于 y=xy=x 反射,会得到其反函数的图像,所以图像关于 y=xy=x 对称当且仅当 ff 等于自己的反函数。对 f(x)=ax+bcx+df(x)=\tfrac{ax+b}{cx+d},这有两种情况:a+d=0a+d=0 且 ad−bc≠0ad-bc\ne0(真正的对合,包括 c=0c=0 时斜率为 −1-1 的直线),或者 ff 是恒等函数 y=xy=x(b=c=0, a=d≠0b=c=0,\ a=d\ne0)。
对 a+d=0a+d=0,令 d=−ad=-a;行列式 −a2−bc-a^2-bc 必须非零,所以需要 a2+bc≠0a^2+bc\ne0,同时 (c,d)≠(0,0)(c,d)\ne(0,0)。当 a=0a=0 时,bb 和 cc 都必须非零,给出 102=10010^2=100 种选择。对每个非零的 aa,先有 (b,c)(b,c) 的 112=12111^2=121 种选择。若 ∣a∣=1,3,4|a|=1,3,4 或 55,恰有 22 组满足 bc=−a2bc=-a^2;若 ∣a∣=2|a|=2,则恰有 66 组。因此真正的对合共有 100+8(121−2)+2(121−6)=1282。 \begin{gathered} 100+8(121-2)+2(121-6)\\ {}=1282 \end{gathered}\text{。} 恒等函数的情形再增加 1010 个(a=d∈{±1,…,±5}a=d\in\{\pm1,\ldots,\pm5\}),总数为 1282+10=12921282+10=1292。
因此正确答案是 B。
Reflecting the graph of y=f(x)y=f(x) over y=xy=x produces the graph of its inverse, so the graph is symmetric about y=xy=x exactly when ff equals its own inverse. For f(x)=ax+bcx+df(x)=\tfrac{ax+b}{cx+d} this happens in two ways: when a+d=0a+d=0 with ad−bc≠0ad-bc\ne0 (a genuine involution, including the slope−1-1 lines when c=0c=0), or when ff is the identity y=xy=x (b=c=0, a=d≠0b=c=0,\ a=d\ne0).
For a+d=0,a+d=0, set d=−a;d=-a; the determinant −a2−bc-a^2-bc must be nonzero, so we need a2+bc≠0,a^2+bc\ne0, together with (c,d)≠(0,0).(c,d)\ne(0,0). When a=0,a=0, both bb and cc must be nonzero, giving 102=10010^2=100 choices. For each nonzero a,a, start with 112=12111^2=121 choices of (b,c).(b,c). If ∣a∣=1,3,4,|a|=1,3,4, or 5,5, exactly 22 pairs satisfy bc=−a2;bc=-a^2; if ∣a∣=2,|a|=2, exactly 66 pairs do. Thus the genuine involutions number 100+8(121−2)+2(121−6)=1282. \begin{gathered} 100+8(121-2)+2(121-6)\\ {}=1282. \end{gathered} The identity case adds 1010 more (a=d∈{±1,…,±5}a=d\in\{\pm1,\ldots,\pm5\}), for a total of 1282+10=1292.1282+10=1292.
Thus, the correct answer is B.
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