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📋 Examen de 2025 de Andalucía

Problema 1

  1. Una viga rígida, considerada como un objeto unidimensional, debe ser transportada horizontalmente a ras de suelo a través de un pasillo que gira en ángulo recto. La anchura del pasillo antes de la esquina es 𝑎 y, tras el giro, pasa a tener anchura 𝑏. Determinar la longitud máxima que puede tener la viga para que sea posible trasladarla, sin levantarla del suelo, y superar la esquina formada por los dos tramos perpendiculares del pasillo.
  2. A la gran final de un torneo de ajedrez han llegado Alicia y Berta. En este deporte, la victoria otorga un punto y las tablas medio punto. Para saber quién será la campeona final, van a jugar dos partidas y ganará aquella que obtenga mayor puntuación. En caso de empate, se repetirá el proceso. Se sabe que, en una partida, 𝑝 es la probabilidad de que gane Alicia, 𝑞 es la de que gane Berta y 𝑟 es la probabilidad de que terminen en tablas. Calcular la probabilidad de ganar el torneo que tiene cada una. Particularizar finalmente al caso 𝑟 =𝑞 =0,25.
  3. Demostrar que el producto de los catetos de un triángulo rectángulo donde todos los lados son números naturales es múltiplo de 12.

Resolución
  1. Sean 𝑙 la longitud de la viga y 𝑂 el punto de la esquina interior. La viga de mayor longitud que puede realizar el giro se corresponde con el segmento de longitud mínima que pasa por 𝑂 y tiene extremos en los bordes exteriores del pasillo. Figura Sea 𝛼 ∈(0,𝜋2) el ángulo que forma el segmento con la horizontal y sean 𝑙1 y 𝑙2 las distancias del punto 𝑂 a cada uno de los extremos, respectivamente. Se tiene que: cos⁡(𝛼)=𝑎𝑙1⇒𝑙1=𝑎cos⁡(𝛼),sen⁡(𝛼)=𝑏𝑙2⇒𝑙2=𝑏sen⁡(𝛼). De esta forma, la longitud completa de la viga viene dada en función del ángulo 𝛼 por: 𝑙=𝑙1+𝑙2=𝑎cos⁡(𝛼)+𝑏sen⁡(𝛼). Así que la función a minimizar es: 𝑓(𝛼)=𝑎cos⁡(𝛼)+𝑏sen⁡(𝛼). En primer lugar, hallamos la derivada de la función. 𝑓′(𝛼)=−𝑎cos2⁡(𝛼)⋅(−sen⁡(𝛼))−𝑏sen2⁡(𝛼)⋅cos⁡(𝛼)=𝑎sen⁡(𝛼)cos2⁡(𝛼)−𝑏cos⁡(𝛼)sen2⁡(𝛼). Hallamos los puntos críticos igualando la derivada a cero. 𝑓′(𝛼)=0⇔𝑎sen⁡(𝛼)cos2⁡(𝛼)−𝑏cos⁡(𝛼)sen2⁡(𝛼)=0⇔𝑎sen⁡(𝛼)cos2⁡(𝛼)=𝑏cos⁡(𝛼)sen2⁡(𝛼)⇔𝑎sen3⁡(𝛼)=𝑏cos3⁡(𝛼)⇔tg3⁡(𝛼)=𝑏𝑎⇔⇔tg⁡(𝛼)=3√𝑏𝑎⇔𝛼=arctg⁡(3√𝑏𝑎). Estudiamos el signo de la derivada para comprobar que en el punto de abscisa 𝛼 =arctg⁡(3√𝑏𝑎) se alcanza el mínimo de la función. Observamos que: lím𝛼→0+⁡𝑓′(𝛼)=lím𝛼→0+⁡(𝑎sen⁡(𝛼)cos2⁡(𝛼)−𝑏cos⁡(𝛼)sen2⁡(𝛼))=−∞,lím𝛼→𝜋2−⁡𝑓′(𝛼)=lím𝛼→𝜋2−⁡(𝑎sen⁡(𝛼)cos2⁡(𝛼)−𝑏cos⁡(𝛼)sen2⁡(𝛼))=+∞. Podemos organizar la información en una tabla.
    (0,arctg⁡(3√𝑏𝑎)) (arctg⁡(3√𝑏𝑎),𝜋2)
    signo de 𝑓′ − +
    monotonía de 𝑓 → →
    Así que el mínimo absoluto de la función se alcanza en 𝛼 =arctg⁡(3√𝑏𝑎). Por tanto, la longitud máxima de la viga viene dada por: 𝑙=𝑎cos⁡(𝛼0)+𝑏sen⁡(𝛼0),con 𝛼0=arctg⁡(3√𝑏𝑎). Para obtener una expresión más simplificada, podemos escribir el seno y el coseno en función de la tangente. tg⁡(𝛼)=sen⁡(𝛼)cos⁡(𝛼)⇒tg2⁡(𝛼)=sen2⁡(𝛼)⋅1cos2⁡(𝛼)=sen2⁡(𝛼)(1+tg2⁡(𝛼))⇔sen2⁡(𝛼)=tg2⁡(𝛼)1+tg2⁡(𝛼),cos2⁡(𝛼)=1−sen2⁡(𝛼)=1−tg2⁡(𝛼)1+tg2⁡(𝛼)=11+tg2⁡(𝛼). Por tanto, la longitud se puede expresar de la forma: 𝑙=𝑎√1+tg2⁡(𝛼0)+𝑏√1+tg2⁡(𝛼0)tg⁡(𝛼0)=(𝑎+𝑏tg⁡(𝛼0))√1+tg2⁡(𝛼0)=⎛⎜ ⎜ ⎜ ⎜⎝𝑎+𝑏3√𝑏𝑎⎞⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎠√√ √ √ √⎷1+(3√𝑏𝑎)2==(𝑎+𝑎13⋅𝑏23)√1+𝑏23𝑎23=𝑎13(𝑎23+𝑏23)√𝑎23+𝑏23𝑎23=𝑎13(𝑎23+𝑏23)⋅(𝑎23+𝑏23)12𝑎13=(𝑎23+𝑏23)32.
  2. Sean los sucesos: 𝐴=𝐴𝑙𝑖𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎,𝐵=𝐵𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎,𝑇=𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑒𝑛 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠,𝑅𝐴=𝐴𝑙𝑖𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑛𝑑𝑎,𝑅𝐵=𝐵𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑛𝑑𝑎,𝑅𝐸=𝑙𝑎 𝑟𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑞𝑢𝑒𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑚𝑝𝑎𝑡𝑒,𝐺𝐴=𝐴𝑙𝑖𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑒𝑜,𝐺𝐵=𝐵𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑔𝑎𝑛𝑎 𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑒𝑜. Podemos organizar los datos en un diagrama de árbol.
    𝐴 (2 −0)
    𝑝←←←←←←←←←←←→
    𝐴 𝑞←←←←←←←←←←→ 𝐵 (1 −1)
    𝑝←←←←←←←←←←←→ 𝑟←←←←←←←←←←→
    𝑇 (1,5 −0,5)
    𝐴 (1 −1)
    𝑝←←←←←←←←←←←→
    𝑞←←←←←←←←←←→ 𝐵 𝑞←←←←←←←←←←→ 𝐵 (0 −2)
    𝑟←←←←←←←←←←→
    𝑇 (0,5 −1,5)
    𝐴 (1,5 −0,5)
    𝑟←←←←←←←←←←→ 𝑝←←←←←←←←←←←→
    𝑇 𝑞←←←←←←←←←←→ 𝐵 (0,5 −1,5)
    𝑟←←←←←←←←←←→
    𝑇 (1 −1)
    Las probabilidades de obtener los distintos resultados al terminar la ronda de dos partidas son: 𝑃(𝑅𝐴)=𝑃(𝐴∩𝐴)+𝑃(𝐴∩𝑇)+𝑃(𝑇∩𝐴)=𝑃(𝐴)⋅𝑃(𝐴|𝐴)+𝑃(𝐴)⋅𝑃(𝑇|𝐴)+𝑃(𝑇)⋅𝑃(𝐴|𝑇)==𝑝2+𝑝𝑟+𝑟𝑝=𝑝2+2𝑝𝑟=𝑝(𝑝+2𝑟),𝑃(𝑅𝐵)=𝑃(𝐵∩𝐵)+𝑃(𝐵∩𝑇)+𝑃(𝑇∩𝐵)=𝑃(𝐵)⋅𝑃(𝐵|𝐵)+𝑃(𝐵)⋅𝑃(𝑇|𝐵)+𝑃(𝑇)⋅𝑃(𝐵|𝑇)==𝑞2+𝑞𝑟+𝑟𝑞=𝑞2+2𝑞𝑟=𝑞(𝑞+2𝑟),𝑃(𝑅𝐸)=𝑃(𝐴∩𝐵)+𝑃(𝐵∩𝐴)+𝑃(𝑇∩𝑇)=𝑃(𝐴)⋅𝑃(𝐵|𝐴)+𝑃(𝐵)⋅𝑃(𝐴|𝐵)+𝑃(𝑇)⋅𝑃(𝑇|𝑇)==𝑝𝑞+𝑞𝑟+𝑟2=𝑟2+2𝑝𝑞. De esta forma, las probabilidades de que ganen Alicia y Berta, respectivamente, vienen dadas por: 𝑃(𝐺𝐴)=𝑃(𝑅𝐴)+𝑃(𝑅𝐸)⋅𝑃(𝑅𝐴)+𝑃(𝑅𝐸)2⋅𝑃(𝑅𝐴)+…=∞∑𝑛=0𝑃(𝑅𝐴)⋅𝑃(𝑅𝐸)𝑛=𝑃(𝑅𝐴)⋅∞∑𝑛=0(𝑟2+2𝑝𝑞)𝑛,𝑃(𝐺𝐵)=𝑃(𝑅𝐵)+𝑃(𝑅𝐸)⋅𝑃(𝑅𝐵)+𝑃(𝑅𝐸)2⋅𝑃(𝑅𝐵)+…=∞∑𝑛=0𝑃(𝑅𝐵)⋅𝑃(𝑅𝐸)𝑛=𝑃(𝑅𝐵)⋅∞∑𝑛=0(𝑟2+2𝑝𝑞)𝑛. Como 0 <𝑟2 +2𝑝𝑞 <1 por tratarse de una probabilidad, entonces: ∞∑𝑛=0(𝑟2+2𝑝𝑞)𝑛=11−𝑟2−2𝑝𝑞. Por tanto, 𝑃(𝐺𝐴)=𝑃(𝑅𝐴)⋅∞∑𝑛=0(𝑟2+2𝑝𝑞)𝑛=𝑝(𝑝+2𝑟)1−𝑟2−2𝑝𝑞,𝑃(𝐺𝐵)=𝑃(𝑅𝐵)⋅∞∑𝑛=0(𝑟2+2𝑝𝑞)𝑛=𝑞(𝑞+2𝑟)1−𝑟2−2𝑝𝑞. Si 𝑞 =𝑟 =0,25, entonces 𝑝 =0,5 y las probabilidades son: 𝑃(𝐺𝐴)=0,5(0,5+2⋅0,25)1−0,252−2⋅0,5⋅0,25=811,𝑃(𝐺𝐵)=0,25(0,25+2⋅0,25)1−0,252−2⋅0,5⋅0,25=311.
  3. Sean 𝑎, 𝑏 y 𝑐 los lados de un triángulo rectángulo, donde 𝑎 y 𝑏 son los catetos y 𝑐 es la hipotenusa. Recordamos que una terna pitagórica es primitiva si 𝑎, 𝑏 y 𝑐 son primos relativos entre sí. Además, toda terna pitagórica es proporcional a una terna pitagórica primitiva.

    Todas las ternas pitagóricas primitivas son de la forma: ⎧{ {⎨{ {⎩𝑎=𝑚2−𝑛2,𝑏=2𝑚𝑛,𝑐=𝑚2+𝑛2,con 𝑚,𝑛∈ℕ y 𝑛<𝑚. Observamos que si 𝑚 y 𝑛 son impares, entonces 𝑎, 𝑏 y 𝑐 son múltiplos de 2 y la terna no sería primitiva. Luego podemos suponer que 𝑚 o 𝑛 es par.

    El producto de los catetos viene dado por: 𝑎𝑏=2𝑚𝑛(𝑚2−𝑛2)=2𝑚𝑛(𝑚−𝑛)(𝑚+𝑛). Observamos que, como 𝑚 o 𝑛 es par, entonces 𝑎𝑏 es múltiplo de 4. Veamos que 𝑎𝑏 es también múltiplo 3 comprobando que lo es alguno de sus factores.

    • Si 𝑚 o 𝑛 es múltiplo de 3, entonces 𝑎𝑏 también lo es.
    • Si 𝑚 y 𝑛 no son múltiplos de 3, entonces: 𝑚=3𝑘+1 o bien 𝑚=3𝑘+2,con 𝑘∈ℕ∪{0},𝑛=3𝑞+1 o bien 𝑛=3𝑞+2,con 𝑞∈ℕ∪{0}.
      • Supongamos que: {𝑚=3𝑘+1,𝑛=3𝑞+1o bien{𝑚=3𝑘+2,𝑛=3𝑞+2. Entonces: 𝑚−𝑛=3𝑘−3𝑞=3(𝑘−𝑞). Luego 𝑚 −𝑛 es múltiplo de 3, así que 𝑎𝑏 también lo es.
      • Supongamos que: {𝑚=3𝑘+1,𝑛=3𝑞+2o bien{𝑚=3𝑘+2,𝑛=3𝑞+1. Entonces: 𝑚+𝑛=3𝑘+3𝑞+3=3(𝑘+𝑞+1). Luego 𝑚 +𝑛 es múltiplo de 3, así que 𝑎𝑏 también lo es.

    Como el producto 𝑎𝑏 es múltiplo de 3 y 4, también es múltiplo de 12. Además, dado que todas las ternas pitagóricas son proporcionales a una terna pitagórica primitiva, se tiene que el producto de los catetos de cualquier triángulo rectángulo es múltiplo de 12.

Problema 2

  1. Dada la función 𝑓(𝑥)=𝑥3(1+2𝑥)2.
    1. Realizar la representación gráfica haciendo un estudio previo de sus propiedades.
    2. Hallar el área comprendida entre la función 𝑓(𝑥), su asíntota oblicua y la recta 𝑥 +𝑦 =0.
  2. Dado un cuadrilátero convexo 𝐴𝐵𝐶𝐷 con área 𝑆. Se prolonga el lado 𝐴𝐵 por el punto 𝐵 hasta un punto 𝑀 de forma que la longitud de 𝐵𝑀 es igual a la mitad de la longitud del lado 𝐴𝐵. De la misma forma, se prolonga el lado 𝐵𝐶 por el punto 𝐶 hasta el punto 𝑁 de forma que 𝐶𝑁 =12𝐵𝐶. El lado 𝐶𝐷 se prolonga por 𝐷 hasta 𝑃 tal que 𝐷𝑃 =12𝐶𝐷 y por último el lado 𝐷𝐴 se prolonga por 𝐴 hasta 𝑄, tal que 𝐴𝑄 =12𝐷𝐴. Hallar el área del cuadrilátero de vértices 𝑀𝑁𝑃𝑄 en función de 𝑆.

Resolución
    1. El dominio de la función es Dom⁡(𝑓) =ℝ ∖{−12}. Como se trata de una función racional, es continua e infinitamente derivable en su dominio. Es inmediato ver que su único punto de corte con los ejes de coordenadas es (0,0) y no presenta simetría. Por comodidad, también podemos expresar la función como: 𝑓(𝑥)=𝑥3(1+2𝑥)2=𝑥34𝑥2+4𝑥+1.
      • Estudiamos la existencia de asíntotas verticales. Para 𝑥 = −12, lím𝑥→−12−⁡𝑓(𝑥)=lím𝑥→−12−⁡𝑥3(1+2𝑥)2=−∞,lím𝑥→−12+⁡𝑓(𝑥)=lím𝑥→−12+⁡𝑥3(1+2𝑥)2=−∞. Luego la recta 𝑥 = −12 es una asíntota vertical.
      • Estudiamos la existencia de asíntotas horizontales y el comportamiento de la función en el infinito. Observamos que: lím𝑥→−∞⁡𝑓(𝑥)=lím𝑥→−∞⁡𝑥3(1+2𝑥)2=−∞,lím𝑥→+∞⁡𝑓(𝑥)=lím𝑥→+∞⁡𝑥3(1+2𝑥)2=+∞. Luego no tiene ninguna asíntota horizontal.
      • Estudiamos la existencia de asíntotas oblicuas. Observamos que: lím𝑥→+∞⁡𝑓(𝑥)𝑥=lím𝑥→+∞⁡𝑥24𝑥2+4𝑥+1=14. Luego la función tiene una asíntota oblicua con pendiente 𝑚 =14. Hallamos su ordenada en el origen. 𝑛=lím𝑥→+∞⁡(𝑓(𝑥)−𝑚𝑥)=lím𝑥→+∞⁡(𝑥34𝑥2+4𝑥+1−𝑥4)=lím𝑥→+∞⁡4𝑥3−4𝑥3−4𝑥2−𝑥16𝑥2+16𝑥+4==lím𝑥→+∞⁡−4𝑥2−𝑥16𝑥2+16𝑥+4=−14. Por tanto, la asíntota oblicua es 𝑦 =14𝑥 −14 =𝑥−14.
      • Para estudiar la monotonía la función, calculamos en primer lugar su derivada. 𝑓′(𝑥)=3𝑥2(1+2𝑥)2−𝑥3⋅2(1+2𝑥)⋅2(1+2𝑥)4=3𝑥2(1+2𝑥)−4𝑥3(1+2𝑥)3=3𝑥2+6𝑥3−4𝑥3(1+2𝑥)3=2𝑥3+3𝑥2(1+2𝑥)3. Para hallar los puntos críticos, igualamos la derivada a cero. 𝑓′(𝑥)=0⇔2𝑥3+3𝑥2(1+2𝑥)3=0⇔2𝑥3+3𝑥2=0⇔𝑥2(2𝑥+3)=0⇔{𝑥=0,2𝑥+3=0⇔𝑥=−32. Estudiamos el signo de la derivada.
        (−∞,−32) (−32,−12) (−12,0) (0, +∞)
        signo de 𝑓′ + − + +
        monotonía de 𝑓 → → → →
        Por tanto, 𝑓 es creciente en (−∞,−32) ∪(−12,+∞) y decreciente en (−32,−12). Además, el punto (−32,−2732) es un máximo relativo.
      • Para estudiar la curvatura la función, calculamos en primer lugar su segunda derivada. 𝑓″(𝑥)=(6𝑥2+6𝑥)(1+2𝑥)3−(2𝑥3+3𝑥2)⋅3(1+2𝑥)2⋅2(1+2𝑥)6=(6𝑥2+6𝑥)(1+2𝑥)−6(2𝑥3+3𝑥2)(1+2𝑥)4==6𝑥2+12𝑥3+6𝑥+12𝑥2−12𝑥3−18𝑥2(1+2𝑥)4=6𝑥(1+2𝑥)4. Para hallar los candidatos a puntos de inflexión, igualamos la segunda derivada a cero. 𝑓″(𝑥)=0⇔6𝑥(1+2𝑥)4=0⇔6𝑥=0⇔𝑥=0. Estudiamos el signo de la segunda derivada.
        (−∞,−12) (−12,0) (0, +∞)
        signo de 𝑓″ − − +
        monotonía de 𝑓 ⌢ ⌢ ⌣
      • Por tanto, 𝑓 es convexa en (0, +∞) y cóncava en (−∞,−12) ∪(−12,0). Además, (0,0) es su único punto de inflexión.
      Representamos la función. Figura
    2. Representamos el recinto. Figura
      • Hallamos la abscisa del punto de corte 𝑃. ⎧{ { {⎨{ { {⎩𝑦=𝑥3(1+2𝑥)2,𝑦=𝑥−14⇒𝑥3(1+2𝑥)2=𝑥−14⇔4𝑥3=(𝑥−1)(4𝑥2+4𝑥+1)⇔⇔4𝑥3=4𝑥3+4𝑥2+𝑥−4𝑥2−4𝑥−1⇔3𝑥=−1⇔𝑥=−13.
      • Hallamos la abscisa del punto de corte 𝑄. {𝑦=𝑥−14,𝑥+𝑦=0⇒𝑥−14=−𝑥⇔𝑥−1=−4𝑥⇔5𝑥=1⇔𝑥=15.
      Calculamos el área de los dos recintos 𝐴1 y 𝐴2.
      • El área del recinto 𝐴1 viene dada por la integral definida: 𝐴1=∫0−13(𝑥34𝑥2+4𝑥+1−𝑥−14)𝑑𝑥. Realizamos la división del primer sumando. 𝑥34𝑥2+4𝑥+1=𝑥−14+3𝑥+14(4𝑥2+4𝑥+1). De esta forma, la integral queda: 𝐴1=∫0−13(𝑥−14+3𝑥+14(4𝑥2+4𝑥+1)−𝑥−14)𝑑𝑥=14∫0−133𝑥+1(1+2𝑥)2𝑑𝑥. Expresamos el integrando como suma de fracciones simples. 3𝑥+1(1+2𝑥)2=𝐴1+2𝑥+𝐵(1+2𝑥)2=𝐴(1+2𝑥)+𝐵(1+2𝑥)2⇒3𝑥+1=𝐴(1+2𝑥)+𝐵. Sustituimos para hallar los valores de 𝐴 y 𝐵.
        • Si 𝑥 = −12, entonces −32 +1 =𝐵 ⇔𝐵 = −12.
        • Si 𝑥 =0, entonces 1 =𝐴 −12 ⇔𝐴 =32.
        Por tanto, 𝐴1=14⋅32∫0−1311+2𝑥𝑑𝑥−14⋅12∫0−131(1+2𝑥)2𝑑𝑥=38⋅12[ln⁡|1+2𝑥|]0−13+18⋅12[11+2𝑥]0−13==316⋅(−ln⁡(13))+116⋅(1−3)=316ln⁡(3)−18𝑢2.
      • El recinto 𝐴2 es un triángulo de base 14 y altura 15, con área: 𝐴2=14⋅152=140𝑢2.
      Por tanto, el área del recinto es: 𝐀=𝐴1+𝐴2=316ln⁡(3)−18+140𝑢2.
  1. Representamos el cuadrilátero y sus prolongaciones, junto con todos los elementos que vamos a utilizar. Figura Sea 𝑆′ el área del cuadrilátero 𝑀𝑁𝑃𝑄, se tiene que: 𝑆=𝑆1+𝑆2+𝑆3+𝑆4,𝑆′=𝐴1+𝐴2+𝐴3+𝐴4.
    • Tomando de referencia el triángulo 𝐴𝑄𝑀, tenemos que: 𝐴1=12⋅𝐴𝑄⋅𝐴𝑀⋅sen⁡(𝜋−𝛼)=12⋅𝑑2⋅(𝑎+𝑎2)⋅sen⁡(𝛼)=3𝑎𝑑8sen⁡(𝛼). Fijándonos en el triángulo 𝐴𝐵𝐷, se tiene que: 𝑆1+𝑆2=12𝑎𝑑sen⁡(𝛼)⇔sen⁡(𝛼)=2(𝑆1+𝑆2)𝑎𝑑. Luego: 𝐴1=3𝑎𝑑8⋅2(𝑆1+𝑆2)𝑎𝑑=34(𝑆1+𝑆2).
    • Tomando de referencia el triángulo 𝐵𝑀𝑁, tenemos que: 𝐴2=12⋅𝐵𝑀⋅𝐵𝑁⋅sen⁡(𝜋−𝛽)=12⋅𝑎2⋅(𝑏+𝑏2)⋅sen⁡(𝛽)=3𝑎𝑏8sen⁡(𝛽). Fijándonos en el triángulo 𝐴𝐵𝐶, se tiene que: 𝑆2+𝑆3=12𝑎𝑏sen⁡(𝛽)⇔sen⁡(𝛽)=2(𝑆2+𝑆3)𝑎𝑏. Luego: 𝐴2=3𝑎𝑏8⋅2(𝑆2+𝑆3)𝑎𝑏=34(𝑆2+𝑆3).
    • De forma análoga, se tiene que: 𝐴3=34(𝑆3+𝑆4),𝐴4=34(𝑆4+𝑆1).
    Por tanto, 𝑆′=𝑆+𝐴1+𝐴2+𝐴3+𝐴4=𝑆+34(𝑆1+𝑆2)+34(𝑆2+𝑆3)+34(𝑆3+𝑆4)+34(𝑆4+𝑆1)==𝑆+34(2𝑆1+2𝑆2+2𝑆3+2𝑆4)=𝑆+32(𝑆1+𝑆2+𝑆3+𝑆4)=𝑆+32𝑆=52𝑆.

Problema 3

  1. Sea una circunferencia de centro 𝑂 y radio 𝑅. Desde un punto 𝐴 de la circunferencia se considera el arco menor 𝑂𝑀, donde 𝑀 es otro punto de la circunferencia. Sea 𝐵 el punto diametralmente opuesto a 𝐴. Determinar, en función de 𝑅, el radio de la circunferencia inscrita en el triángulo mixtilíneo 𝑂𝑀𝐵.
  2. Hallar las dimensiones del rectángulo de área máxima que puede inscribirse en una elipse de semiejes 𝑎 y 𝑏.
  3. Sean 𝑎,𝑏 ∈ℝ, 𝑛 ∈ℕ (𝑛 >2). Discutir en función de los valores de 𝑎 y 𝑏 el siguiente sistema: ⎧{ { { { {⎨{ { { { {⎩𝑎𝑥1+𝑥2+𝑥3+…+𝑥𝑛−1+𝑥𝑛=1,𝑥1+𝑎𝑥2+𝑥3+…+𝑥𝑛−1+𝑥𝑛=𝑏,𝑥1+𝑥2+𝑎𝑥3+…+𝑥𝑛−1+𝑥𝑛=𝑏2,⋮𝑥1+𝑥2+𝑥3+…+𝑎𝑥𝑛−1+𝑥𝑛=𝑏𝑛−2,𝑥1+𝑥2+𝑥3+…+𝑥𝑛−1+𝑎𝑥𝑛=𝑏𝑛−1.

Problema 4

  1. En la ecuación 𝑥2 +𝐴𝑥 +𝐵 =0, 𝐴 y 𝐵 son números reales elegidos al azar en los intervalos [ −𝑎,𝑎] y [ −𝑏,𝑏] respectivamente, siendo 𝑎 y 𝑏 números reales. Calcular la probabilidad de que tenga soluciones reales.
  2. Dada la matriz 𝐴=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠.
    1. Calcular 𝐴49 y 𝐴𝑛.
    2. Sin hacer uso de la matriz inversa, hallar 𝑋 en la ecuación 𝐴2𝑋 +𝐼 =𝐴, siendo 𝐼 la matriz identidad.
  3. Determinar todos los números de tres cifras en base 7, formados por cifras distintas entre sí y mayores que cero, que al ser convertidos a base 11 están representados por esas mismas tres cifras, aunque no necesariamente en el mismo orden.

Resolución
  1. Como 𝐴 ∈[ −𝑎,𝑎] y 𝐵 ∈[ −𝑏,𝑏], el área de la región factible es: 𝑆𝑇=2𝑎⋅2𝑏=4𝑎𝑏𝑢2. La ecuación 𝑥2 +𝐴𝑥 +𝐵 =0 tiene solución si y solo si su discriminante es mayor o igual que cero, esto es: 𝐴2−4𝐵≥0⇔4𝐵≤𝐴2⇔𝐵≤𝐴24. Consideramos dos casos.
    • Supongamos que 𝑎24 ≤𝑏. Representamos la región factible. Figura El área de esta región viene dada por: 𝑆𝐹=2𝑎𝑏+2∫𝑎0𝐴24𝑑𝐴=2𝑎𝑏+2[112𝐴3]𝑎0=2𝑎𝑏+16𝑎3𝑢2. Por tanto, la probabilidad de que la ecuación tenga soluciones reales es: 𝑝=𝑆𝐹𝑆𝑇=2𝑎𝑏+16𝑎34𝑎𝑏=12+𝑎224𝑏.
    • Supongamos que 𝑎24 >𝑏. Los puntso de corte de 𝐵 =𝐴24 y la recta 𝐵 =𝑏 vienen dados por: 𝐴24=𝑏⇔𝐴2=4𝑏𝑏>0⇔𝐴=±2√𝑏. Representamos la región factible. Figura El área de esta región viene dada por: 𝑆𝐹=2𝑎𝑏+2∫2√𝑏0𝐴24𝑑𝐴+2𝑏(𝑎−2√𝑏)=2𝑎𝑏+2[112𝐴3]2√𝑏0+2𝑎𝑏−4𝑏√𝑏==4𝑎𝑏−4𝑏√𝑏+43𝑏√𝑏=4𝑎𝑏−83𝑏√𝑏𝑢2. Por tanto, la probabilidad de que la ecuación tenga soluciones reales es: 𝑝=𝑆𝐹𝑆𝑇=4𝑎𝑏−83𝑏√𝑏4𝑎𝑏=1−2√𝑏3𝑎.
    1. Hallamos las primeras potencias de la matriz 𝐴. 𝐴2=𝐴⋅𝐴=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−10211−1−1−10⎞⎟ ⎟ ⎟⎠,𝐴3=𝐴2⋅𝐴=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−10211−1−1−10⎞⎟ ⎟ ⎟⎠⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝100010001⎞⎟ ⎟ ⎟⎠=𝐼. Así que: 𝐴49=𝐴16⋅3+1=(𝐴3)16⋅𝐴=𝐼16⋅𝐴=𝐴=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠. En general, dado 𝑛 ∈ℕ, se tiene que:
      • Si existe 𝑘 ∈ℕ tal que 𝑛 =3𝑘, entonces: 𝐴𝑛=𝐴3𝑘=(𝐴3)𝑘=𝐼𝑘=𝐼.
      • Si existe 𝑘 ∈ℕ tal que 𝑛 =3𝑘 +1, entonces: 𝐴𝑛=𝐴3𝑘+1=(𝐴3)𝑘⋅𝐴=𝐼𝑘⋅𝐴=𝐴.
      • Si existe 𝑘 ∈ℕ tal que 𝑛 =3𝑘 +2, entonces: 𝐴𝑛=𝐴3𝑘+2=(𝐴3)𝑘⋅𝐴2=𝐼𝑘⋅𝐴2=𝐴2.
    2. Para resolver la ecuación matricial, multiplicamos por 𝐴 por la izquierda. De esta forma, 𝐴2𝑋+𝐼=𝐴⇔𝐴3𝑋+𝐴=𝐴2⇔⇔𝑋=𝐴2−𝐴=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−10211−1−1−10⎞⎟ ⎟ ⎟⎠−⎛⎜ ⎜ ⎜⎝−1−2−21210−1−1⎞⎟ ⎟ ⎟⎠=⎛⎜ ⎜ ⎜⎝0240−1−2−101⎞⎟ ⎟ ⎟⎠.
  2. Sea 𝑛 =𝑎𝑏𝑐(7), con 𝑎,𝑏,𝑐 ∈{1,2,3,4,5,6} y distintos. Por el teorema fundamental de los sistemas de numeración, se tiene que: 𝑛=49𝑎+7𝑏+𝑐. Queremos hallar todos los números 𝑛 que se escriben en base 11 con las cifras 𝑎, 𝑏 y 𝑐. Como 𝑎, 𝑏 y 𝑐 son distintos, los dígitos se pueden ordenar de 3! =6 formas distintas. Estudiamos cada caso.
    • Caso 1: supongamos que 𝑛 =𝑎𝑏𝑐(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑎𝑏𝑐(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑎+11𝑏+𝑐⇔18𝑎+𝑏=0. Como 𝑎 y 𝑏 son mayores que cero, este caso no es posible.
    • Caso 2: supongamos que 𝑛 =𝑎𝑐𝑏(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑎𝑐𝑏(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑎+11𝑐+𝑏⇔72𝑎+10𝑐=6𝑏⇔36𝑎+5𝑐=3𝑏. Observamos que: 3𝑏=36𝑎+5𝑐≥36⋅1+5⋅2=46⇒𝑏≥463≥16. Como 𝑏 ≤6, este caso no es posible.
    • Caso 3: supongamos que 𝑛 =𝑏𝑎𝑐(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑏𝑎𝑐(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑏+11𝑎+𝑐⇔114𝑏=38𝑎⇔3𝑏=𝑎. Las únicas posibilidades son:
      • Si 𝑏 =1, entonces 𝑎 =3 y 𝑐 ∈{2,4,5,6}. Se obtienen los siguientes números: 312(7),314(7),315(7),316(7).
      • Si 𝑏 =2, entonces 𝑎 =6 y 𝑐 ∈{1,3,4,5}. Se obtienen los siguientes números: 621(7),623(7),624(7),625(7).
    • Caso 4: supongamos que 𝑛 =𝑏𝑐𝑎(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑏𝑐𝑎(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑏+11𝑐+𝑎⇔114𝑏+10𝑐=48𝑎⇔57𝑏+5𝑐=24𝑎. Observamos que: 24𝑎=57𝑏+5𝑐≥57⋅1+5⋅2=67⇒𝑎≥6724≥3. Tenemos los siguientes casos.
      • Si 𝑎 =3, entonces 57𝑏 +5𝑐 =24 ⋅3 =72.
      • Si 𝑎 =4, entonces 57𝑏 +5𝑐 =24 ⋅4 =96.
      • Si 𝑎 =5, entonces 57𝑏 +5𝑐 =24 ⋅5 =120.
      • Si 𝑎 =6, entonces 57𝑏 +5𝑐 =24 ⋅6 =144.
      Por comodidad, organizaremos los distintos valores de 57𝑏 +5𝑐 mediante la siguiente tabla.
      𝑐 =1 𝑐 =2 𝑐 =3 𝑐 =4 𝑐 =5 𝑐 =6
      𝑏 =1 × 67 72 77 82 87
      𝑏 =2 119 × 129 134 139 144
      No es necesario calcular más, puesto que serían valores mayores que 144. Solo hay dos casos que debemos estudiar:
      • Si 𝑏 =1 y 𝑐 =3, se tiene que 57𝑏 +5𝑐 =72 =24 ⋅3, así que 𝑎 =3. Como hay dos dígitos iguales, tenemos que descartar este caso.
      • Si 𝑏 =2 y 𝑐 =6, se tiene que 57𝑏 +5𝑐 =144 =24 ⋅6, así que 𝑎 =6. Como hay dos dígitos iguales, tenemos que descartar este caso.
      Por tanto, este caso no es posible.
    • Caso 5: supongamos que 𝑛 =𝑐𝑎𝑏(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑐𝑎𝑏(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑐+11𝑎+𝑏⇔120𝑐=38𝑎+6𝑏⇔60𝑐=19𝑎+3𝑏. Ha de ocurrir que 19𝑎 +3𝑏 sea múltiplo de 60. Por comodidad, organizaremos los distintos valores de 19𝑎 +3𝑏 mediante la siguiente tabla.
      𝑏 =1 𝑏 =2 𝑏 =3 𝑏 =4 𝑏 =5 𝑏 =6
      𝑎 =1 × 25 28 31 34 37
      𝑎 =2 41 × 47 50 53 56
      𝑎 =3 60 63 × 69 72 75
      𝑎 =4 79 82 85 × 91 94
      𝑎 =5 98 101 104 107 × 113
      𝑎 =6 117 120 123 126 129 ×
      Solo hay dos casos que debemos estudiar:
      • Si 𝑎 =3 y 𝑏 =1, se tiene que 19𝑎 +3𝑏 =60 =60 ⋅1, así que 𝑎 =1. Como hay dos dígitos iguales, tenemos que descartar este caso.
      • Si 𝑎 =6 y 𝑏 =2, se tiene que 19𝑎 +3𝑏 =120 =60 ⋅2, así que 𝑎 =2. Como hay dos dígitos iguales, tenemos que descartar este caso.
      Por tanto, este caso no es posible.
    • Caso 6: supongamos que 𝑛 =𝑐𝑏𝑎(11). Entonces: 𝑎𝑏𝑐(7)=𝑎𝑏𝑐(11)⇔49𝑎+7𝑏+𝑐=121𝑐+11𝑏+𝑎⇔120𝑐+4𝑏=48𝑎⇔30𝑐=12𝑎−𝑏. Observamos que: 12𝑎=𝑏+30𝑐≥2+30⋅1=33⇒𝑎≥3312≥3. Además, ha de ocurrir que 12𝑎 −𝑏 sea múltiplo de 30. Por comodidad, organizaremos los distintos valores de 12𝑎 −𝑏 mediante la siguiente tabla.
      𝑎 =3 𝑎 =4 𝑎 =5 𝑎 =6
      𝑏 =1 35 47 59 71
      𝑏 =2 34 46 58 70
      𝑏 =3 × 45 57 69
      𝑏 =4 32 × 56 68
      𝑏 =5 31 43 × 67
      𝑏 =6 30 42 54 ×
      Solo debemos estudiar un caso. Si 𝑎 =3 y 𝑏 =6, se tiene que 12𝑎 −𝑏 =30 =30 ⋅1, así que 𝑐 =1. De esta forma, se obtiene el número 361(7).
    Por tanto, los números son: 312(7),314(7),315(7),316(7),621(7),623(7),624(7),625(7),361(7).