Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

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.

Solución. Al quitar la región debe quedar un número de días múltiplo de cuatro, de forma que puedan dividirse de forma exacta en proporción 3 a 1. Comprobamos fácilmente (solo hay que mirar las dos últimas cifras) que \begin{align*} 336&\equiv 0\ (\text{mod }4),& 321&\equiv 1\ (\text{mod }4),& 335&\equiv 3\ (\text{mod }4),\\ 343&\equiv 3\ (\text{mod }4),& 329&\equiv 1\ (\text{mod }4),& 330&\equiv 2\ (\text{mod }4). \end{align*} La única forma de quitar uno de los días y que quede múltiplo de cuatro es quitar la región F, lo que nos da la respuesta al problema.

Nota. En realidad, el argumento no prueba que el número de días lluviosos es la tercera parte del de soleados, sino que se basa en que la persona encargada sabe que esto ocurre para alguna región. Hemos visto que solo puede ser la F.

Solución. Pongamos que hay $a$ chicos y $b$ chicas. Si todos hubieran comido el mínimo, habrían hecho falta $6a+2b$ porciones, mientras que el máximo sería $7a+3b$. Por tanto, se tiene que cumplir que \[48\lt 6a+2b,\qquad 7a+3b\lt 60.\] Observamos que las desigualdades son estrictas porque se dice que faltó con cuatro pizzas y sobró con cinco. Sumando siete veces la primera desigualdad y seis la segunda, tenemos que $336+42a+18b\lt 42a+14b+360$, de donde $b\lt 6$, es decir $b\leq 5$. Distingamos casos:

• Si $b=1$, las desigualdades quedan $46\lt 6a$ y $7a\lt 57$, es decir, $\frac{46}{6}\lt a\lt\frac{57}{7}$ que tiene por única solución entera $a=8$.
• Si $b=2$, queda $44\lt 6a$ y $7a\lt 54$, que no tiene soluciones enteras.
• Si $b=3$, queda $42\lt 6a$ y $7a\lt 51$, que no tiene soluciones enteras.
• Si $b=4$, queda $40\lt 6a$ y $7a\lt 48$, que no tiene soluciones enteras.
• Si $b=5$, queda $38\lt 6a$ y $7a\lt 45$, que no tiene soluciones enteras.

Deducimos que hay dos soluciones al problema: 8 chicos y 1 chica o bien 7 chicos y 2 chicas.

Solución. Cambiando $x$ por $1-x$, tenemos la ecuación \[(1-x)^2f(1-x)+f(x)=2(1-x)-(1-x)^4.\] Esta ecuación es cierta para todo $x\in\mathbb{R}$ y, junto con la ecuación dada en el enunciado, nos da un sistema lineal de dos ecuaciones si vemos a $f(x)$ y $f(1-x)$ como incógnitas. Restando a esta última ecuación la primera multiplicada por $(1-x)^2$ eliminamos el término $f(1-x)$, lo que nos da \[f(x)-x^2(1-x)^2f(x)=2(1-x)-(1-x)^4-(1-x)^2(2x-x^4).\] Tras simplificar y factorizar (observamos que $1-x^2(1-x)^2$ es diferencia de cuadrados), podemos despejar \[f(x)=\frac{-(x-1)(x+1)(x^2-x-1)(x^2-x+1)}{(x^2-x-1)(x^2-x+1)}.\] El factor $x^2-x+1$ es siempre positivo ya que la ecuación $x^2-x+1=0$ no tiene soluciones. Sin embargo $x^2-x-1=0$ tiene soluciones $x=\frac{1}{2}(1\pm\sqrt{5})$ en cuyo caso no podemos simplificar este factor. Distinguimos dos casos:

• Si $x\neq\frac{1}{2}(1\pm\sqrt{5})$, entonces tras simplificar todos los factores comunes obtenemos que $f(x)=1-x^2$.
• Para el caso $x=\frac{1}{2}(1\pm\sqrt{5})$, sustituimos estos valores en la ecuación inicial, lo que nos da el siguiente sistema lineal en las incógnitas $a=\frac{1}{2}(1-\sqrt{5})$ y $b=\frac{1}{2}(1-\sqrt{5})$: \[\left\{\begin{array}{l}2a+(3+\sqrt{5})b=-5-\sqrt{5},\\ (3-\sqrt{5})a+2b=-5+\sqrt{5}\end{array}\right.\] Es fácil ver que es compatible indeterminado y que podemos despejar \[b=\frac{-5+\sqrt{5}-(3-\sqrt{5})a}{2},\] de forma que $a$ es un parámetro real arbitrario.

Con todo esto, las funciones que verifican la igualdad del enunciado son las de la forma \[f(x)=\begin{cases}1-x^2&\text{si }x\neq\frac{1}{2}(1\pm\sqrt{5}),\\ a&\text{si }x=\frac{1}{2}(1-\sqrt{5}),\\ \frac{-5+\sqrt{5}-(3-\sqrt{5})a}{2}&\text{si }x=\frac{1}{2}(1+\sqrt{5}),\end{cases}\] para cualquier $a\in\mathbb{R}$.

Nota. Este problema se ha marcado con 2,5 estrellas porque es realmente fácil omitir el caso $x=\frac{1}{2}(1\pm\sqrt{5})$ y decir que $f(x)=1-x^2$ para todo $x\in\mathbb{R}$ (este fallo está incluso en la solución oficial), que se corresponde con el caso $a=\frac{-1+\sqrt{5}}{2}$.