Problema de la semana 2021-37

Semana del 13 al 19 de septiembre de 2021

En la figura, las semicircunferencias son tangentes entre sí. Si el área del cuadrado vale A  y la suma de las áreas de las 6 semicircunferencias vale B. ¿Cuánto es \frac{B}{A}?

Digamos que el radio de una de las semicircunferencias chicas es r_1 y el radio de una de las semicircunferencias grandes es r_2. Trazando un segmento desde el centro de una semircircunferencia grande hasta el centro de una de las semicircunferencias tangente a ella, obtenemos un triángulo rectángulo con un cateto igual a r_1, el otro cateto igual a \frac{\sqrt{A}}{2} y la hipotenusa igual a r_1+r_2. Aplicamos el teorema de pitágoras.

(r_1)^2+\frac{A}{4}=(r_1+r_2)^2

Y considerando que r_1 = \frac{\sqrt{A}}{4}, tenemos que

\frac{A}{16}+\frac{A}{4} = \frac{A}{16} + 2(\frac{\sqrt{A}}{4})(r_2) + (r_2)^2

Usando la fórmula cuadrática, y notando que solo existe una solución positiva, resulta

r_2 = \frac{\sqrt{A}(\sqrt{5}-1)}{4}

Por último, calculamos B=2\cdot \pi \cdot (r_1)^2 + \pi \cdot (r_2)^2 = 2\pi \cdot \frac{A}{16} + \pi \cdot \frac{A(24-2\sqrt{5})}{4}

\frac{B}{A} = \pi \cdot \frac{25-2\sqrt{5}}{4}
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