Olimpiadas de Matemáticas
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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. 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. Llamando $y=f(x)$, tenemos la ecuación $x+\frac{1}{x}=y+\frac{1}{y}$ en la incógnita $y$, que no es más que la ecuación de segundo grado $y^2-(x+\frac{1}{x})y+1=0$ (podemos multiplicar por $y$ puesto que $y\neq 0$). Sus soluciones son \[f(x)=y=\frac{-(x+\frac{1}{x})\pm\sqrt{(x+\frac{1}{x})^2-4}}{2}=\frac{-(x+\frac{1}{x})\pm(x-\frac{1}{x})}{2},\] lo que nos dice que $f(x)=x$ o bien $f(x)=\frac{1}{x}$ para cada $x\in\mathbb{R}^+$. Ahora bien, podría elegirse $f(x)=x$ para algunos valores de $x$ y $f(x)=\frac{1}{x}$ para otros, pero nos piden que la función $f$ sea continua. Las gráficas $y=x$ e $y=\frac{1}{x}$ se cortan únicamente en $x=1$, luego la continuidad nos dice tenemos que elegir una de las dos para todos los $x\in(0,1]$ y una de las dos para todos los $x\in[1,+\infty)$. Tenemos así cuatro soluciones: \begin{align*} f(x)&=x \text{ para todo }x>0,&f(x)&=\frac{1}{x}\text{ para todo }x>0,\\ f(x)&=\begin{cases}x&\text{si }0\lt x\leq 1,\\\frac{1}{x}&\text{si }x\gt 1,\end{cases}& f(x)&=\begin{cases}\frac{1}{x}&\text{si }0\lt x\leq 1,\\x&\text{si }x\gt 1.\end{cases} \end{align*}