Olimpiadas de Matemáticas
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Solución. Observemos que $x^2+x=x(x+1)$ y que $x$ y $x+1$ no tienen factores comunes. Por tanto, cualquier factor primo de $y$ es factor de $x$ o de $x+1$, pero no de ambos. De esta forma, tanto $x$ como $x+1$ tienen que ser potencias $k$-ésimas de números enteros. Las únicas potencias $k$-ésimas positivas que difieren en una unidad son $0$ y $1$, a las que también hay que añadir $-1$ y $0$ si $k$ es impar. Deducimos que $x=0$ o $x=-1$, lo que nos da como únicas soluciones $(x,y)=(0,0)$ y $(x,y)=(-1,0)$, que son válidas para cualquier entero $k\gt 1$, como puede comprobarse fácilmente.

Solución. Si llamamos $\alpha,\beta,\gamma$ a las tres raíces de $p(x)$, entonces podemos escribir \begin{align*} p(x)&=(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)\\ &=x^3-(\alpha+\beta+\gamma)x^2+(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)x-\alpha\beta\gamma, \end{align*} de modo que (identificando coeficientes) obtenemos las relaciones de Cardano-Vieta: \[\alpha+\beta+\gamma=-2,\qquad \alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha=3,\qquad\alpha\beta\gamma=-4.\] Ahora bien, queremos encontrar un polinomio $q(x)$ cuyas raíces sean $\alpha^2$, $\beta^2$ y $\gamma^2$, luego por un argumento similar al anterior, dicho polinomio será \[q(x)=x^3-(\alpha^2+\beta^2+\gamma^2)x^2+(\alpha^2\beta^2+\beta^2\gamma^2+\gamma^2\alpha^2)x-\alpha^2\beta^2\gamma^2\] y bastará encontrar los tres coeficientes anteriores. Esto no es demasiado dificultoso ya que podemos calcularlos en términos de las cantidades ya conocidas: \[\alpha^2+\beta^2+\gamma^2=(\alpha+\beta+\gamma)^2-2(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)=(-2)^2-2\cdot 3=-2,\] \[\alpha^2\beta^2+\beta^2\gamma^2+\gamma^2\alpha^2=(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)^2-2\alpha\beta\gamma(\alpha+\beta+\gamma)=3^2-2\cdot 4\cdot 2=-7,\] \[\alpha^2\beta^2\gamma^2=(\alpha\beta\gamma)^2=4^2=16.\] De esta forma, el polinomio buscado es $q(x)=x^3+2x^2-7x-16$.

Solución. Podemos desarrollar (véase la nota): \begin{align*} S_N=\sum_{n=1}^N\frac{1}{a_n}&=\sum_{n=1}^N\frac{4n^2}{4n^2-1}=\sum_{n=1}^N\left(1-\frac{1}{4n^2-1}\right)\\ &=N-\sum_{n=1}^N\frac{1}{4n^2-1}=N-\frac{1}{2}\sum_{n=1}^N\left(\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n+1}\right). \end{align*} La última suma es telescópica, es decir, se suman y se restan términos que se cancelan entre sumandos consecutivos. Concretamente, tenemos que \begin{align*}\sum_{n=1}^N\left(\frac{1}{2n-1}-\frac{1}{2n+1}\right)&=\left(1-\tfrac{1}{3}\right)+\left(\tfrac{1}{3}-\tfrac{1}{5}\right)+\left(\tfrac{1}{5}-\tfrac{1}{7}\right)+\ldots+\left(\tfrac{1}{2N-1}-\tfrac{1}{2N+1}\right)\\ &=1-\frac{1}{2N+1}=\frac{2N}{2N+1}. \end{align*} De esta forma, podemos calcular \[S_N=N-\frac{1}{2}\cdot\frac{2N}{2N+1}=\frac{2N^2}{2N+1}.\] Por lo tanto, para $N=2013$ obtenemos la suma deseada: $\frac{2\cdot 2013^2}{2027}$.

Nota. Puede parecer un poco mágica la transformación que se hace de la suma original, pero responde a un esquema general similar al proceso de integración de funciones racionales. Esta técnica funciona siempre que se pueda factorizar el denominador con raíces simples racionales.

En primer lugar, se divide numerador entre el denominador para que el grado del denominador sea mayor que el del numerador, lo que nos da \[\frac{4n^2}{4n^2-1}=\frac{4n^2-1+1}{4n^2-1}=1-\frac{1}{4n^2-1}.\] En segundo lugar, visto que $4n^2-1=(2n-1)(2n+1)$, intentamos expresar \[\frac{1}{4n^2-1}=\frac{A}{2n-1}+\frac{B}{2n+1}\ \Leftrightarrow\ 1=(2n+1)A+(2n-1)B\] para ciertas constantes $A,B\in\mathbb{R}$. Para que esta última igualdad entre polinomios sea cierta, se tiene que $A+B=0$ (término en $n$) y $A-B=1$ (término independiente). Por tanto, se sigue que $A=\frac{1}{2}$ y $B=-\frac{1}{2}$.

Solución. Aplicando la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica a los números $2^{\mathrm{sen}^2(x)}$ y $2^{\cos^2(x)}$, tenemos que \[\frac{2^{\mathrm{sen}^2(x)}+2^{\cos^2(x)}}{2}\leq\sqrt{2^{\mathrm{sen}^2(x)+\cos^2(x)}}=\sqrt{2}.\] Por lo tanto, estamos buscando ángulos $x$ para los que se obtenga la igualdad en esta desigualdad, la cual es cierta cuando los dos números son iguales, es decir, $2^{\mathrm{sen}^2(x)}=2^{\cos^2(x)}$. Esto a su vez equivale a que $\mathrm{sen}^2(x)=\cos^2(x)$ y, dividiendo por $\cos^2(x)$, también equivale a $\mathrm{tg}(x)=\pm 1$. Por tanto, las soluciones de la ecuación son $x=45+90k$ para cualquier entero $k$. Dividiendo $2013$ entre $90$ obtenemos $2013=22\cdot 90+33$ (cociente $22$ y resto $33$), luego el valor más cercano por exceso es $22\cdot 90+45=2025^\circ$ y el valor más cercano por defecto es $21\cdot 90+45=1955^\circ$.

Solución. Si llamamos $\alpha,\beta,\gamma$ a las tres raíces de $p(x)$, entonces podemos escribir \begin{align*} p(x)&=(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)\\ &=x^3-(\alpha+\beta+\gamma)x^2+(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)x-\alpha\beta\gamma, \end{align*} de modo que (identificando coeficientes) obtenemos las relaciones de Cardano-Vieta: \[\alpha+\beta+\gamma=-2,\qquad \alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha=3,\qquad\alpha\beta\gamma=-4.\] Esto nos permite calcular \[\alpha^2+\beta^2+\gamma^2=(\alpha+\beta+\gamma)^2-2(\alpha\beta+\beta\gamma+\gamma\alpha)=(-2)^2-2\cdot 3=-2.\] Con un poco más de esfuerzo, podemos expresar también la suma de los cubos en términos de las cantidades conocidas desarrollando \begin{align*} (\alpha+\beta+\gamma)^3&=\alpha^3+\beta^3+\gamma^3+3[\alpha\beta^2+\alpha\gamma^2+\beta\alpha^2+\beta\gamma^2+\gamma\alpha^2+\gamma\beta^2]+6\alpha\beta\gamma \end{align*} y también \[(\alpha\beta+\beta\gamma+\alpha\gamma)(\alpha+\beta+\gamma)=[\alpha\beta^2+\alpha\gamma^2+\beta\alpha^2+\beta\gamma^2+\gamma\alpha^2+\gamma\beta^2]+3\alpha\beta\gamma.\] Podemos despejar en ambas e igualar el término entre corchetes para llegar a que \begin{align*} \alpha^3+\beta^3+\gamma^3&=(\alpha+\beta+\gamma)^3-3(\alpha\beta+\beta\gamma+\alpha\gamma)(\alpha+\beta+\gamma)+3\alpha\beta\gamma\\ &=(-2)^3-3\cdot 3\cdot(-2)+3\cdot (-4)=-2. \end{align*} Vemos así que $\alpha+\beta+\gamma=\alpha^2+\beta^2+\gamma^2=\alpha^3+\beta^3+\gamma^3=-2$.

Nota. El cálculo de polinomios simétricos de las raíces de polinomios es un tema recurrente en las olimpiadas y este problema es más bien un ejercicio estándar.

Solución. La desigualdad entre las medias aritmética y geométrica nos dice que \[2^x\cdot 3^{5^{-x}}+\frac{3^{5^x}}{2^x}\geq 2\sqrt{3^{5^{-x}}\cdot 3^{5^x}}=2\sqrt{3^{5^{-x}+5^x}}\geq 2\sqrt{3^2}=6,\] donde también hemos usado que la suma de un número positivo y su inverso es mayor o igual que $2$, luego $5^{-x}+5^x\geq 2$ para todo $x\in\mathbb{R}$. Ahora bien, la igualdad en esta última desigualdad se alcanza si, y sólo si, $5^x=1$, lo que nos dice que la única solución posible es $x=0$. Comprobamos que efectivamente $x=0$ es solución, luego es la única.