Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Como tenemos que $[\frac{3}{2}]=1$ y $\{\frac{3}{2}\}=\frac{1}{2}$, estamos buscando el conjunto de números reales tales que \[([x]-1)^2+(\{x\}-0.5)^2\lt \frac{202^2}{100^2}=4.0804.\] La parte entera de un número $x$ que cumpla esta desigualdad puede ser $-1$, $0$, $1$, $2$ o $3$ ya que , en caso de ser otro número, el sumando $([x]-1)^2$ sería mayor o igual que $49. Distingamos casos:

• Si $[x]=-1$, entonces la desigualdad nos queda $(\{x\}-0.5)^2\lt 0.0804$ o bien $|\{x\}-0.5|\lt \sqrt{0.0804}$. Esto nos da el intervalo de soluciones $(-0.5-\sqrt{0.0804},-0.5+\sqrt{0.0804})$.
• Si $[x]=0$, entonces la desigualdad nos queda $(\{x\}-0.5)^2\lt 3.0804$ o bien $|\{x\}-0.5|\lt \sqrt{3.0804}$. Como la parte decimal está entre $0$ y $1$, deducimos que todo el intervalo $[0,1)$ son soluciones de la desigualdad.
• Si $[x]=1$, entonces $\{x\}$ puede ser cualquier número entre $0$ y $1$ y la desigualdad es cierta. Esto nos da el intervalo de soluciones $[1,2)$.
• Si $[x]=2$, se razona de la misma manera que si $[x]=0$ por simetría y tenemos todo el intervalo de soluciones $[2,3)$.
• Si $[x]=3$, se razona de la misma manera que si $[x]=-1$ por simetría y tenemos el intervalo de soluciones $(-3.5-\sqrt{0.0804},-3.5+\sqrt{0.0804})$.

Con todo esto, el conjunto de puntos buscado es \[(-3.5-\sqrt{0.0804},-3.5+\sqrt{0.0804})\cup[0,3)\cup (-3.5-\sqrt{0.0804},-3.5+\sqrt{0.0804}).\]

Nota. Hemos usado decimales por comodidad pero todos los números decimales que aparecen son exactos, concretamente $0.0804=\frac{201}{2500}$ y $3.0804=\frac{7701}{2500}$.

Solución. Es fácil encontrar las soluciones $n=1$ y $n=3$, para las que obtenemos $8=2^3$ y $128=2^7$, mientras que $n=2$ no es solución ya que $5^2+3=28$ no es potencia de $2$. Veremos que $5^n+3$ no puede ser múltiplo de $256=2^8$ para ningún valor de $n$, lo que nos dirá que $n=1$ y $n=3$ son las únicas soluciones.

Tomando restos módulo $256$, el teorema de Euler nos dice que que $5^{\varphi(n)}\equiv 1\ (\text{mod }256)$ y, elevando sucesivamente al cuadrado, tenemos que \begin{align*} 5^2&\equiv 25\ (\text{mod }256),& 5^4&\equiv 25^2\equiv 113\ (\text{mod }256),& 5^8&\equiv 113^2\equiv 225\ (\text{mod }256)\\ 5^{16}&\equiv 225^2\equiv 193\ (\text{mod }256),& 5^{32}&\equiv 193^2\equiv 129\ (\text{mod }256),& 5^{64}&\equiv 129^2\equiv 1\ (\text{mod }256). \end{align*} Esto nos dice que $64$ es el menor exponente al que hay que elevar $5$ para obtener un múltiplo de $256$.

Nota. Si se considera $n=0$ como número natural, habría que incluirlo como solución ya que en tal caso tenemos $5^0+3=2^2$, pero esto no afecta al resto del razonamiento.

Solución. La función $g(t)$ es convexa por tener segunda derivada positiva, luego la desigualdad de Jensen nos dice que \[g(\mu(a,b))=\frac{g(a)+g(b)}{2}\geq g\left(\tfrac{a+b}{2}\right)=g(m(a,b)).\] Como $g$ es estrictamente creciente por tener primera derivada positiva, su inversa $g^{-1}$ existe y es estrictamente creciente. Aplicando dicha inversa a ambos lados de la desigualdad anterior, obtenemos que $\mu(a,b)\geq m(a,b)$ para cualesquiera $a$ y $b$.

Nota. En realidad, no es necesario que $a$ y $b$ sean positivos para que se cumpla la desigualdad $\mu(a,b)\geq m(a,b)$. Observemos además que la igualdad $\mu(a,b)= m(a,b)$ se alcanza únicamente cuando $a=b$ ya que $g$ es estrictamente convexa.