Track / Stage 6 / 281 of 400 #1281 of 2000

Problem 1281

National olympiad, first round

Geometry Difficulty 6.4 Find the answer

Let $n\ge 2$ be an integer. Thibaud the Tiger lays $n$ $2\times 2$ overlapping squares out on a table, such that the centers of the squares are equally spaced along the line $y=x$ from $(0,0)$ to $(1,1)$ (including the two endpoints). For example, for $n=4$ the resulting figure is shown below, and it covers a total area of $\frac{23}{3}$ .

[asy]
fill((0,0)--(2,0)--(2,.333333333333)--(0.333333333333,0.333333333333)--(0.333333333333,2)--(0,2)--cycle, lightgrey);
fill((0.333333333333,0.333333333333)--(2.333333333333,0.333333333333)--(2.333333333333,.6666666666666)--(0.666666666666,0.666666666666666)--(0.66666666666,2.33333333333)--(.333333333333,2.3333333333333)--cycle, lightgrey);
fill((0.6666666666666,.6666666666666)--(2.6666666666666,.6666666666)--(2.6666666666666,.6666666666666)--(2.6666666666666,1)--(1,1)--(1,2.6666666666666)--(0.6666666666666,2.6666666666666)--cycle, lightgrey);
fill((1,1)--(3,1)--(3,3)--(1,3)--cycle, lightgrey);
draw((0.33333333333333,2)--(2,2)--(2,0.333333333333), dashed+grey+linewidth(0.4));
draw((0.66666666666666,2.3333333333333)--(2.3333333333333,2.3333333333333)--(2.3333333333333,0.66666666666), dashed+grey+linewidth(0.4));
draw((1,2.666666666666)--(2.666666666666,2.666666666666)--(2.666666666666,1), dashed+grey+linewidth(0.4));
draw((0,0)--(2,0)--(2,.333333333333)--(0.333333333333,0.333333333333)--(0.333333333333,2)--(0,2)--(0,0),linewidth(0.4));
draw((0.333333333333,0.333333333333)--(2.333333333333,0.333333333333)--(2.333333333333,.6666666666666)--(0.666666666666,0.666666666666666)--(0.66666666666,2.33333333333)--(.333333333333,2.3333333333333)--(0.333333333333,.333333333333),linewidth(0.4));
draw((0.6666666666666,.6666666666666)--(2.6666666666666,.6666666666)--(2.6666666666666,.6666666666666)--(2.6666666666666,1)--(1,1)--(1,2.6666666666666)--(0.6666666666666,2.6666666666666)--(0.6666666666666,0.6666666666666),linewidth(0.4));
draw((1,1)--(3,1)--(3,3)--(1,3)--cycle,linewidth(0.4));
[/asy]
Find, with proof, the minimum $n$ such that the figure covers an area of at least $\sqrt{63}$ .

Your answer

Official solution

1. Understanding the Problem:
We need to find the minimum integer $n \geq 2$ such that the total area covered by $n$ overlapping $2 \times 2$ squares, whose centers are equally spaced along the line $y = x$ from $(0,0)$ to $(1,1)$ , is at least $\sqrt{63}$ .

2. Analyzing the Overlapping Squares:
Each square has an area of $4$ (since each side is $2$ ). When these squares overlap, the overlapping regions reduce the total area covered. The centers of the squares are spaced equally along the line $y = x$ , which means the distance between the centers of consecutive squares is $\frac{\sqrt{2}}{n-1}$ .

3. Calculating the Overlapping Area:
The overlapping area between two consecutive squares can be calculated by considering the geometry of the squares. The side length of each square is $2$ , and the distance between the centers is $\frac{\sqrt{2}}{n-1}$ . The overlapping area between two squares is a function of this distance.

4. Total Area Calculation:
The total area covered by $n$ squares can be approximated by considering the area of the first square plus the additional area added by each subsequent square, minus the overlapping areas. For simplicity, we can use the formula for the total area covered by $n$ overlapping squares:
$\text{Total Area} = 4 + (n-1) \left(4 - \frac{4}{n-1}\right)$
Simplifying this, we get:
$\text{Total Area} = 4 + 4(n-1) - 4 = 4n - 4$

5. Setting Up the Inequality:
We need this total area to be at least $\sqrt{63}$ :
$4n - 4 \geq \sqrt{63}$
Solving for $n$ :
$4n \geq \sqrt{63} + 4$
$n \geq \frac{\sqrt{63} + 4}{4}$

6. **Calculating the Minimum $n$ :**
$n \geq \frac{\sqrt{63} + 4}{4}$
Approximating $\sqrt{63}$ :
$\sqrt{63} \approx 7.94$
$n \geq \frac{7.94 + 4}{4} \approx \frac{11.94}{4} \approx 2.985$
Since $n$ must be an integer, we round up to the next whole number:
$n \geq 3$

The final answer is $\boxed{3}$

Source: NuminaMath-1.5, licensed Apache-2.0. Statement and solution reproduced as published; topic, difficulty and ordering added by this site.