Maths Olympiad Prep

Library / /16 of 44

Algebra Difficulty 5.6 AIME, harder Prove it Russia

Two monic quadratic trinomials f(x)f(x) and g(x)g(x) are given, each of them has two distinct real roots. Assume that f(1)=g(2)f(1) = g(2) and g(1)=f(2)g(1) = f(2). Find all possible values of the sum of all four roots of the trinomials.

Solution

Первое решение. Пусть f(x)=x2+ax+bf(x) = x^2 + a x + b, g(x)=x2+cx+dg(x) = x^2 + c x + d. Тогда условия задачи запишутся в виде
1+a+b=4+2c+d и 4+2a+b=1+c+d. 1 + a + b = 4 + 2c + d \text{ и } 4 + 2a + b = 1 + c + d.
Вычитая из первого равенства второе, получаем 3a=3+c-3 - a = 3 + c, то есть a+c=6a + c = -6. Но по теореме Виета a-a — это сумма корней первого трёхчлена, c-c — сумма корней второго трёхчлена, откуда и следует требуемое.

Второе решение. Рассмотрим вспомогательный квадратный трёхчлен h(x)=g(3x)h(x) = g(3 - x) (он тоже приведённый!). Тогда h(x)f(x)h(x) - f(x) — линейный многочлен с корнями 1 и 2; значит, он тождественно нулевой, то есть f(x)=g(3x)f(x) = g(3 - x). Поэтому, если x0x_0 является корнем f(x)f(x), то 3x03 - x_0 является корнем g(x)g(x), и сумма этих двух корней равна 3. Аналогично, сумма остальных корней этих многочленов также равна 3.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.