Prova em Mutirão:Simulado IME Matemática.

Link:https://drive.google.com/file/d/1NN6EcFNDuHvLlst-Gy9GIlIj2AvlebfE/view
O John Carter enviou aqui no fórum alguns simulados do IME/ITA e algumas listas, um dos simulados de matemática não tem gabarito então achei uma boa solucionar ele.
1. Resolvida por Leo Consoli
2. Resolvida por Thanos
3. Resolvida por Leo Consoli
4. Resolvida por Matheus Tsilva
5. Resolvida por Giovana Martins
6. Resolvida por fantecele88
7. Resolvida por Giovana Martins
8. Resolvida por Leo Consoli
9. Resolvida por Giovana Martins
10. Resolvida por fantecele88
Vou abrir fazendo a questão 1:
Prove que a soma
1^k+2^k+3^k+....+n^k
em que n é um inteiro qualquer e k é impar, é divisível por 1+2+3+...+n.
A questão cometeu o erro de não especificar que k tem que ser inteiro e positivo, pois para inteiros negativos ou números fracionários isso não é mais verdade.
Devemos provar que sempre existe um numero (w) que multiplicado por 1+2+3+...+n resulte em 1^k+2^k+3^k...+n^k, já que o resto da divisão é zero.
Sendo k um numero impar podemos escreve-lo na forma k=2x+1, sendo x um numero natural qualquer.
Por indução se o resultado valer para x=0 e para x=1 valera para todo k tal que k seja impar.
Para x=0 é automático que o valor w é igual a 1.
Para x=1, temos que provar que existe um valor que multiplicado por uma soma de termos, resulte na soma de seus cubos.
Porem sabemos que:
\\\sum_{k=1}^{n}k=\frac{n(n+1)}{2}\wedge \sum_{k=1}^{n}k^3=\left [\frac{n(n+1)}{2}  \right ]^2
Substituindo esses valores:
\left [\frac{n(n+1)}{2}  \right ]^2=w\times\frac{n(n+1)}{2}  \rightarrow w=\frac{n(n+1)}{2}
Logo para outros valores de x o resultado se mantem.

Massa, de noite posto a solução da 3 e da 8.

Questão 10:
Determine todas as soluções reais do sistema:

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Resolução:

Irei mostrar que x, y e z podem ser escritos como iguais a 2cos(k).

Vamos supor que exista um valor de x tal que x > 2, perceba agora que:
x > 2
x² > 4
x³ > 4x
x³ - 3x > x
Da primeira equação temos que y > x (I). Se y > x e x > 2, então y > 2.
y > 2
y² > 4
y³ > 4y
y³ - 3y > y
Da segunda equação temos que z > y (II). Se z > y e y > 2, então z > 2.
z > 2
z² > 4
z³ > 4z
z³ - 3z > z
Da terceira equação temos que x > z (III). Agora de (III) e (II) temos que x > y, porém de (I) temos y > x, o que é um absurdo, portanto não temos valores de x tal que x > 2. Usando a mesma ideia, não podemos ter valores de y e de z maiores que 2.

Agora vamos supor que exista um valor de x tal que x < -2.
x < -2
x² > 4
x³ < 4x
x³ - 3x < x
Da primeira equação temos que y < x (I). Se y < x e x < -2, então y < -2.
y < -2
y² > 4
y³ < 4y
y³ - 3y < y
Da segunda equação temos que z < y (II). Se z < y e y < -2, então z < -2.
z < -2
z² > 4
z³ < 4z
z³ - 3z < z
Da terceira equação temos que x < z (III). Agora de (III) e (II) temos que x < y, porém de (I) temos y < x, o que é um absurdo, portanto não temos valores de x tal que x < -2. Usando a mesma ideia, não podemos ter valores de y e de z menores que 2.

Do tirado acima, temos que os valores de x, y e z estão presentes no intervalo [-2;2], portanto podemos fazer x = 2cos(a), y = 2cos(b) e z = 2cos(c).

Agora no sistema:

Na primeira equação:

x³ - 3x = y
(2cos(a))³ - 3.(2cos(a)) = 2cos(b)
8cos³(a) - 6cos(a) = 2cos(b)
4cos³(a) - 3cos(a) = cos(b)
cos(3a) = cos(b)

Na segunda e na terceira equação podemos encontrar cos(3b) = cos(c) e cos(3c) = cos(a).

Com isso, o sistema vira:

cos(3a) = cos(b)
cos(3b) = cos(c)
cos(3c) = cos(a)

cos(27a) = cos(a)
27a = ± a + 2kpi
a = kpi/14; k = {0,1,2,...,14}
a = kpi/13; k = {1,2,...,12}

Portanto as soluções do sistema são as triplas {x,y,z} = {2cos(a),2cos(3a),2cos(9a)} com a = kpi/14 k = {0,1,2,...,14} e a = kpi/13 k = {1,2,...12}.


Creio que seja isso. Se alguém ver algum erro é só falar que eu tento ajeitar 

Questão 6:

Sejam A e B matrizes reais nxn tais que AB + A + B = 0. Prove que AB = BA.

Resolução:

Considere I como sendo a matriz identidade nxn.
Primeiro perceba que:
(A + I)(B + I) = AB + AI + IB + I² = AB + A + B + I = I
(A + I)(B + I) = I

Daí temos que det[(A + I)(B + I)] = det(I) = 1

Portanto:

det(A + I) ≠ 0 → A + I é inversível
det(B + I) ≠ 0 → B + I é inversível

Como temos que (A + I)(B + I) = I e "A + I" e "B + I" são inversíveis, então 
(B + I)(A + I) = I, portanto:

(A + I)(B + I) = (B + I)(A + I)
AB + A + B + I = BA + B + A + I
AB = BA

Creio que seja isso.

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Questão 2:

Dois médicos devem examinar durante uma mesma hora, 6 pacientes, gastando 10 minutos com cada paciente. Cada um dos 6 pacientes deve ser examinado pelos dois médicos. De quantos modos pode ser feito um horário compatível?

Considerando o fato de que serão atendidos individualmente e simultaneamente pelos médicos como diz o enunciado, o primeiro médico terá 6! modos de atender a todos, já o segundo médico terá, pela fórmula do desarranjo (ou permutação caótica):  

A quantidade total de modos para se ter compatibilidade será 720*265 = 190 800.

Boa, Thanos.
Vou fazer a 3 agora, queria comentar antes que mandar alguém fazer essa questão sem calculo é pura maldade.
Mostre que uma elipse e uma hiperbola homofocais são ortogonais, isto é, as suas tangentes nos pontos de interseção são perpendiculares.
Obs: Duas cônicas são ditas homofocais se tem os mesmos focos.
Começamos vendo que existem quatro pontos de interseção, [Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem], assumiremos que a elipse e a hiperbole tem o mesmo centro e suas formulas são como segue.
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Como os focos são os mesmos temos que:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Nos pontos de interseção:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Ta uma conta bem ruim, mais isolando xo e depois yo:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Se acharmos a equação da tangente de uma hiperbola e de uma elipse, podemos multiplicar seus coeficientes angulares e verificar se o resultado da -1, a equação da tangente para essas figuras cônicas é chatinha de deduzir então vou dar uma roubadinha:
Tangente de uma hiperbole em um ponto (xo,yo):
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Tangente de uma elipse em um ponto (xo,yo):
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Multiplicando os coeficientes angulares e substituindo xo e yo:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Logo, como o produto dos coeficientes angulares de retas perpendiculares é -1, esta provado.

Questão 8: Resolva a equação  [Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]  para todo valor de a.
O valor de a depende da variação do valor de x, logo é a variável dependente, vou chama-lo de f(x).
Estudando o modulo temos que:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Logo temos 2 funções diferentes para os intervalos de x, para maior e igual a 2:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Para x menor que 2:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Unindo os intervalos temos que os valores de a são:
[Tens de ter uma conta e sessão iniciada para poderes visualizar esta imagem]
Não to muito confiante nessa, se tiver algum erro avisem.