Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Manipulando la ecuación del enunciado no se llega a nada y tampoco se puede probar el resultado por inducción. Una técnica que puede resultar útil en algunos casos y que usaremos en este problema consiste en encontrar otra fórmula recursiva que cumpla la sucesión dada y que exprese un término como el resultado de operaciones enteras sobre términos anteriores. En nuestro caso concreto, probaremos que $a_{n+2}=2ca_{n+1}-a_n$ para todo $n$. Calculando algunos términos de $\{a_n\}$ se puede llegar a intuir esta fórmula, lo que facilita mucho las cosas, aunque a continuación veremos como obtenerla manipulando la ecuación inicial.

Pasando el término $ca_n$ al miembro de la izquierda y elevando al cuadrado llegamos a que

\[(a_{n+1}-ca_n)^2=(c^2-1)(a_n^2-4),\] y desarrollando el cuadrado y el producto, podemos simplificar esta igualdad como \[a_{n+1}^2-2ca_na_{n+1}+a_n^2=4(c^2-1).\] Para eliminar el término $4(c^2-1)$, que no depende de $n$, hacemos el siguiente truco: escribimos la misma igualdad para $n$ y $n+1$, es decir, \begin{eqnarray} a_{n+1}^2-2ca_na_{n+1}+a_n^2&=&4(c^2-1),\\ a_{n+2}^2-2ca_{n+1}a_{n+2}+a_{n+1}^2&=&4(c^2-1). \end{eqnarray} Restando la segunda a la primera, obtenemos \[a_{n+2}^2-a_n^2-2ca_{n+1}a_{n+2}+2ca_na_{n+1}=0,\] que se puede factorizar fácilmente como \[(a_{n+2}+a_n-2ca_{n+1})(a_{n+2}-a_n)=0.\] Ahora bien, si $c=1$, entonces la sucesión es constante igual a 2, luego supondremos $c\gt 1$, con lo que de la definición del enunciado se tiene que $a_{n+1}\gt a_n$ para todo $n$ y, en particular, $a_{n+2}-a_n\neq 0$ con lo que podemos simplificar la ecuación anterior para obtener que \[a_{n+2}=2ca_{n+1}-a_n.\] Como $a_1=2$ y $a_2=2c$ son números naturales, esta fórmula recursiva prueba que $a_n$ es entero para todo número natural $n$.

Nota. De hecho la recursión $a_{n+2}=2ca_{n+1}-a_n$ con condiciones iniciales $a_1=2$ y $a_2=2c$ se puede resolver para llegar a la siguiente fórmula explícita: \[a_n=\left(c+\sqrt{c^2-1}\right)^{n-1}+\left(c-\sqrt{c^2-1}\right)^{n-1}.\]

Solución. Observemos que, usando la fórmula de la diferencia de dos cuadrados, tenemos que \[\frac{5}{3}=4^x-4^y=(2^2)^x-(2^2)^y=(2^x)^2-(2^y)^2=(2^x+2^y)(2^x-2^y)=2^x+2^y,\] con lo que el sistema original puede escribirse como \[\left\{\begin{array}{l} 2^x-2^y=1,\\ 2^x+2^y=\frac{5}{3}. \end{array}\right.\] Sumando las dos ecuaciones llegamos a que $2^x=\frac{4}{3}$ y restándolas llegamos a que $2^y=\frac{1}{3}$, luego podemos despejar $x=\log_2(\frac{4}{3})$ e $y=\log_2(\frac{1}{3})$. De esta forma, \[x-y=\log_2\left(\frac{4}{3}\right)-\log_2\left(\frac{1}{3}\right)=\log_2\left(\frac{4/3}{1/3}\right)=\log_2(4)=2.\]

Solución. Razonemos por reducción al absurdo, suponiendo que es racional. Entonces, existen números enteros $p$ y $q$ ($p\neq 0$) tales que \[\frac{\log_{10}m}{\log_{10}n}=\frac{p}{q}.\] Usando las propiedades de los logaritmos, podemos escribir la igualdad anterior como \[q\log_{10}m=p\log_{10}n\ \Longrightarrow\ \log_{10}(m^q)=\log_{10}(n^p).\] Podemos quitar los logaritmos de ambos miembros haciendo \[m^q=10^{\log_{10}(m^q)}=10^{\log_{10}(n^p)}=n^p.\] Como $m$ y $n$ son primos entre sí no tienen factores primos comunes y $p\neq 0$, deducimos que $m^q=n^p$ sólo puede ocurrir si $m=n=1$ y el enunciado nos dice que $m,n\gt 1$.

Solución. El enunciado nos dice que existen números naturales $a,b\gt 4$ y $c\gt 5$ tales que el número buscado $n$ se puede escribir de las siguientes tres formas: \begin{eqnarray*} n&=&(a-4)+\ldots+(a-1)+a+(a+1)+\ldots+(a+4)=9a,\\ n&=&(b-4)+\ldots+(b-1)+b+(b+1)+\ldots+(b+4)=10b+5,\\ n&=&(c-5)+\ldots+(c-1)+c+(c+1)+\ldots+(c+5)=11c. \end{eqnarray*} Esta forma de escribir los números consecutivos es ideal para simplificar los cálculos. Así, la primera y la tercera igualdad nos dicen que $n$ ha de ser múltiplo de 9 y de 11, respectivamente, mientras que la segunda nos dice que ha de ser múltiplo de 5 (pero no de 10). El menor número que cumple estas condiciones es obviamente $n=9\cdot 11\cdot 5=495$, que se obtiene para $a=55$, $b=49$ y $c=45$.

Solución. La desigualdad del enunciado es equivalente a probar que \[a_0^3+4a_1^3-10a_2^3+4a_3^3+a_4^3\geq 0.\] Por la simetría del término de la izquierda, escribamos \[a_0=a-2d,\quad a_1=a-d,\quad a_2=a,\quad a_3=a+d,\quad a_4=a+2d.\] Sustituyendo y desarrollando los cubos tenemos que \[a_0^3+4a_1^3+4a_3^3+a_4^3-10a_2^3=(a-2d)^3+4(a-d)^3-10a^3+4(a+d)^3+(a+2d)^3=48ad^2,\] que evidentemente es positivo ya que $a=a_2\gt 0$ y $d\geq 0$.

Nota. La igualdad se alcanza si, y sólo si, $d=0$. La desigualdad sigue siendo cierta siempre que $a_2\geq 0$ (no es necesario que todos los términos sean positivos); de hecho, si $a_2\leq 0$, se obtiene una desigualdad en sentido contrario.