28868

28868 (Andre Horvat-Marc)

Fie $n\in \mathbb {N^{\ast }}$ și funcțiile $f:\left[0,2n^{2}+3n\right]\to \left[1,2n+1\right]$, $f\left(x\right)={\frac {{\sqrt {8x+9}}-1}{2}}$ și $g:\left[1,2n+1\right]\to \left[0,2n^{2}+3n\right]$, $g\left(x\right)=f^{-1}\left(x\right)$.

Fie punctele $A\left(2n^{2}+3n,2n+1\right)$, $B\left(2n+1,2n^{2}+3n\right)$ și mulțimea $M$ a punctelor din plan cuprinse între graficele funcțiilor $f$ și $g$ și dreapta $AB$. Aflați numărul punctelor din $M$ care au ambele coordonate întregi.

Soluție.

Cum $g=f^{-1}$, se obține că funcția $g:\left[1,2n+1\right]\to \left[0,2n^{2}+3n\right]$ este definită prin $g\left(x\right)={\dfrac {\left(x-1\right)\left(x+2\right)}{2}}$. Mai mult, $g\left(k\right)\in \mathbb {N}$ oricare ar fi $k\in \left[1,2n+1\right]\cap \mathbb {N}$.

Avem $B\left(2n+1,2n^{2}+3n\right)\in G_{g}$, $A\left(2n^{2}+3n,2n+1\right)\in G_{f}$ și $G_{f}\cap G_{g}=\left\{D\left(2,2\right)\right\}$.

Au loc inegalitățile $f\left(x\right)\leq x$ oricare ar fi $x\in \left[2,2n^{2}+3n\right]$ și $g\left(x\right)\geq x$ oricare ar fi $x\in \left[2,2n+1\right]$.

Considerăm că mulțimea $M$ este mulțimea tuturor punctelor din plan cuprinse în interiorul triunghiului curbiliniu $ABD$, deci este necesar să numărăm punctele laticeale din interiorul triunghiului curbiliniu $ABD$, vom nota cu $M_{n}$ acest număr.

Între segmentele $G_{f}$ și $G_{g}$ se situează și punctul $Q\left(1,1\right)$, însă considerăm $M$ ca fiind mulțimea închisă delimitată de $G_{f}$, $G_{g}$ și $\left[AB\right]$.

Fie punctele $C\left(2n^{2}+3n,2n^{2}+3n\right)$, $E\left(2,2n^{2}+3n\right)$, $F\left(2n^{2}+3n,2\right)$. Observăm că, datorită simetriei, triunghiurile curbilinii $DBE$ și $DAF$ conțin același număr de puncte laticeale. Notăm $S_{n}$ numărul punctelor laticeale din interiorul și de pe frontiera triunghiului curbiliniu $DBE$, respectiv Failed to parse (syntax error): {\displaystyle DAF<math>. Datorită simetriei triunghiurile curbilinii <math>DBE<math> și <math>DAF} \\ $T_{n}$ numărul punctelor laticeale din interiorul și de pe frontiera triunghiului $CAB$\\ $A_{n}$ numărul punctelor laticeale din interiorul și de pe frontiera pătratului $DFCE$.

Avem $A_{n}=\left(2n^{2}+3n-1\right)^{2}$, $T_{n}=\sum \limits _{k=1}^{2n^{2}+n}k={\dfrac {1}{2}}n\left(2n+1\right)\left(2n^{2}+n+1\right)$ și $S_{n}=\sum \limits _{k=2}^{2n+1}\left(2n^{2}+3n+1-g\left(k\right)\right)={\dfrac {1}{3}}n\left(2n+1\right)\left(4n+1\right).$ Atunci $M_{n}=A_{n}-2S_{n}-T_{n}+3$, în formula precedenă de adaugă Failed to parse (syntax error): {\displaystyle 3<math> pentru a corecta faptul că punctele <math>A} , $B$, respectiv $D$ sunt puncte comune ale regiunilor $ADF$, $BDE$, respectiv $CAB$. Se obține Failed to parse (unknown function "\enskip"): {\displaystyle M_n = \dfrac{1}{6}\left(12n^4+28n^3-3n^2-43n+24\right), \enskip n\in \mathbb{N}^\ast.} Cazuri particulare: $M_{1}=3$ este ușor de construit și verificat, $M_{2}=57$ este reprezentat în figura de mai sus, $M_{3}=266$ și $M_{4}=778$.