Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Haciendo operaciones llegamos a que \[\frac{a+1}{b}+\frac{b+1}{a}=\frac{a^2+b^2+a+b}{ab}.\] Si llamamos $d$ al máximo común divisor, entonces $a$ y $b$ son divisibles por $d$ luego el denominador de la fracción de la derecha es divisible por $d^2$. Como dicha fracción es un número entero, el numerador también ha de ser divisible entre $d^2$. Como $a^2+b^2$ sí es divisible entre $d^2$, entonces $a+b$ también tiene que serlo. De aquí deducimos que $d^2\leq a+b$, de donde $d\leq\sqrt{a+b}$ como queríamos demostrar.

Solución. Llamamos $a=BC$, $b=AC$ y $c=AB$ por comodidad. Utilizando la fórmula para la longitud de las medianas $m_b$ y $m_c$ y que $GC=\frac{2}{3}m_c$ y $GB=\frac{2}{3}m_b$ (el baricentro está al doble de distancia de un vértice que del punto medio del lado opuesto), tenemos que \begin{align*} AB+GC=c+\frac{2}{3}m_c=c+\frac{2}{3}\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}-\frac{c^2}{4}},\\ AC+GB=b+\frac{2}{3}m_b=b+\frac{2}{3}\sqrt{\frac{a^2+c^2}{2}-\frac{b^2}{4}}.\\ \end{align*} La igualdad a probar se reduce a la siguiente: \[\frac{3}{2}(c-b)=m_b-m_c.\] Sin embargo, podemos multiplicar por la expresión conjugada para obtener también \begin{align*} \frac{3}{2}(c-b)&=\sqrt{\frac{a^2+c^2}{2}-\frac{b^2}{4}}-\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}-\frac{c^2}{4}}\\ &=\frac{\left(\frac{a^2+c^2}{2}-\frac{b^2}{4}\right)-\left(\frac{a^2+b^2}{2}-\frac{c^2}{4}\right)}{\sqrt{\frac{a^2+c^2}{2}-\frac{b^2}{4}}+\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}-\frac{c^2}{4}}}=\frac{\frac{3}{4}(c^2-b^2)}{m_b+m_c}. \end{align*} Razonemos por reducción al absurdo suponiendo que no se cumple que $b=c$. En tal caso, podemos simplificar el factor común $c-b$ y despejar $m_b+m_c=\frac{1}{2}(b+c)$. Junto con la condición $\frac{3}{2}(c-b)=m_b-m_c$, podemos despejar $m_b=c-\frac{b}{2}$ y $m_c=b-\frac{c}{2}$. Esto contradice la desigualdad triangular en los triángulos $AMC$ y $ANB$, siendo $M$ y $N$ los puntos medios de $AB$ y $AC$, respectivamente. Por lo tanto, tiene que ser $b=c$ y el triángulo es isósoceles.

Solución. Podemos suponer que $a\geq 0$ cambiando $f(x)$ de signo y también que $b\geq 0$ cambiando $x$ de signo (si fuera necesario). Como tenemos valores absolutos y simetría en los valores $0$ y $\pm 1$, esto no afecta al problema. Entonces, $f(x)$ es una parábola que tiene su vértice en los reales negativos (o también podría ser una recta si $a=0$, pero en ese caso se tiene claramente $|f(x)|\leq 1\lt\frac{5}{4}$). Vamos a usar ahora que si prefijamos los valores de $f(-1)$, $f(0)$ y $f(1)$ arbitrariamente, la parábola $f(x)$ está unívocamente determinada. Se cumple entonces que $f(x)$ decrece para todo $x\in (-1,0)$ en cualquiera de las siguientes situaciones:

• Cuando decrece $f(0)$ mientras se fijan $f(-1)$ y $f(1)$.
• Cuando crece $f(1)$ mientras se fijan $f(-1)$ y $f(0)$.
• Cuando decrece $f(-1)$ mientras se fijan $f(0)$ y $f(1)$.

Por tanto, la parábola que toma los menores valores de $(-1,0)$ es aquella que cumple $f(-1)=f(0)=-1$ (mínimo posible) y $f(1)=1$ (máximo posible). Se obtiene fácilmente que esta parábola es $f(x)=x^2+x-1=(x+\frac{1}{2})^2-\frac{5}{4}$, lo que prueba que $f(x)\geq\frac{-5}{4}$ en $[-1,1]$ y hemos respondido así a la primera pregunta.

En cuanto a $g(x)$, comenzamos observando que \[g(x)=x^2(\tfrac{a}{x^2}+\tfrac{b}{x}+c)=x^2f(\tfrac{1}{x}).\] Por lo tanto, para acotar superiormente $|g(x)|$ en $[-1,1]$, tendremos que acotar inferiormente $|f(x)|$ en $(-\infty,-1]\cup[1,+\infty)$. Podemos seguir suponiendo que $a,b\geq 0$, luego $f(x)\geq f(-x)$ para $x\geq 1$ y solo debemos fijarnos en el caso $x\geq 1$. Un razonamiento similar al descrito más arriba nos dice que $f(x)$ crece para $x\in [1,+\infty)$ en cualquiera de las siguientes situaciones:

• Cuando decrece $f(0)$ mientras se fijan $f(-1)$ y $f(1)$.
• Cuando crece $f(1)$ mientras se fijan $f(-1)$ y $f(0)$.
• Cuando crece $f(-1)$ mientras se fijan $f(0)$ y $f(1)$.

Por tanto, la parábola que tiene mayor valor posible debe cumplir que $f(-1)=f(-1)=1$ (máximo posible) y $f(0)=-1$ (mínimo posible). Esto nos da el caso óptimo $f(x)=x^2-2$. En resumen, para $x\in[-1,1]$, se tiene que \[|g(x)|=x^2|f(\tfrac{1}{x})|\leq x^2f(\tfrac{1}{|x|})\leq x^2(2\tfrac{1}{|x|^2}-1)=2-x^2\leq 2.\]

Nota. La igualdad $|f(x)|=\frac{5}{4}$ sólo se alcanza en los siguientes casos: para los polinomios $f(x)=x^2+x-1$ y $f(x)=-x^2-x+1$ en $x=\frac{-1}{2}$ y para los polinomios $f(x)=x^2-x+1$ y $f(x)=-x^2+x-1$ en $x=\frac{1}{2}$. La igualdad $|g(x)|=2$ se alcanza sólo para los polinomios $g(x)=x^2-2$ y $g(x)=2-x^2$ en $x=0$.

Solución. Observamos que tiene que ser $x\gt 0$ ya que el miembro de la izquierda no puede ser negativo, luego $x\geq 1$ para que la segunda raíz esté definida. Dividiendo entre $x$ ambos miembros y escribiendo $t=\frac{1}{x^2}$, la ecuación se reescribe como \[\sqrt{1-pt}+2\sqrt{1-t}=1.\] Si llamamos $y=\sqrt{1-pt}$ y $z=\sqrt{1-t}$, podemos reescribirlo de nuevo como el sistema \[\left\{\begin{array}{l}y+2z=1\\y^2-pz^2=1-p\end{array}.\right.\] Despejamos $y=1-2z$ en la primera ecuación y sustituimos en la segunda, lo que nos da una ecuación de segundo grado en $z$: \[(1-2z)^2-pz^2=1-p\ \Longleftrightarrow\ 4z^2-(p+4)z+p=0.\] Esta ecuación tiene soluciones $z=1$ y $z=\frac{p}{4-p}$. La primera hay que descartarla ya que nos lleva a que $\frac{1}{x^2}=t=0$, que no tiene soluciones. Para $z=\frac{p}{4-p}$, podemos despejar \[\frac{1}{x^2}=t=1-z^2=1-\frac{p^2}{(4-p)^2}=\frac{8(2-p)}{(4-p)^2}.\] Por tanto, tiene que ser $p\leq 2$, lo que nos da la única candidata a solución: \[x=\frac{4-p}{2\sqrt{2}\sqrt{2-p}}.\] Comprobamos ahora si cumple la condición: \[\sqrt{x^2-p}+2\sqrt{x^2-1}=\sqrt{\frac{(4-3p)^2}{8(2-p)}}+2\sqrt{\frac{p^2}{8(2-p)}}=\frac{|4-3p|+2|p|}{2\sqrt{2}\sqrt{2-p}}.\] La única forma de que el numerador anterior sea igual a $4-p$ (para que el resultado de la operación sea $x$), es que $4-3p\geq 0$ y $p\geq 0$, lo que nos dice que la ecuación tiene solución si y sólo si $0\leq p\leq \frac{4}{3}$, en cuyo caso la solución es única.

Nota. Otra forma de ver la existencia y unicidad de solución (aunque no de calcularla) es usar el teorema de Bolzano. La función $f(t)=\sqrt{1-pt}+2\sqrt{1-t}-1$ es continua y estrictamente decreciente. Nos interesa su valor en $[0,\min\{1,\frac{1}{p}\}]$. Tenemos que $f(0)=2\gt 0$. Si $p\geq 1$, entonces evaluamos $f(\frac{1}{p})=2\sqrt{1-\frac{1}{p}}-1$, que es negativo si y sólo si $p\leq\frac{4}{3}$. Si $p\leq 1$, entonces $f(1)=\sqrt{1-p}-1$ es negativo siempre que $p\gt 0$. En resumen, tenemos que $0\leq p\leq \frac{4}{3}$ y que la solución es única.