AMC12 2021 A

AMC12 2021 A · Q14

AMC12 2021 A · Q14. It mainly tests Logarithms (rare), Arithmetic sequences basics.

What is the value of \[\left(\sum_{k=1}^{20} \log_{5^k} 3^{k^2}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{9^k} 25^k\right)?\]

求\[\left(\sum_{k=1}^{20} \log_{5^k} 3^{k^2}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{9^k} 25^k\right)\]的值。

(A) 21 21

(B) 100\log_5 3 100\log_5 3

(D) 2{,}200 2{,}200

(E) 21{,}000 21{,}000

Answer

Correct choice: (E)

正确答案：（E）

Solution

We will apply the following logarithmic identity: \[\log_{p^n}{q^n}=\log_{p}{q},\] which can be proven by the Change of Base Formula: \[\log_{p^n}{q^n}=\frac{\log_{p}{q^n}}{\log_{p}{p^n}}=\frac{n\log_{p}{q}}{n}=\log_{p}{q}.\] Now, we simplify the expressions inside the summations: \begin{align*} \log_{5^k}{{3^k}^2}&=\log_{5^k}{(3^k)^k} \\ &=k\log_{5^k}{3^k} \\ &=k\log_{5}{3}, \end{align*} and \begin{align*} \log_{9^k}{25^k}&=\log_{3^{2k}}{5^{2k}} \\ &=\log_{3}{5}. \end{align*} Using these results, we evaluate the original expression: \begin{align*} \left(\sum_{k=1}^{20} \log_{5^k} 3^{k^2}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{9^k} 25^k\right)&=\left(\sum_{k=1}^{20} k\log_{5}{3}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{3}{5}\right) \\ &= \left(\log_{5}{3}\cdot\sum_{k=1}^{20} k\right)\cdot\left(\log_{3}{5}\cdot\sum_{k=1}^{100} 1\right) \\ &= \left(\sum_{k=1}^{20} k\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} 1\right) \\ &= \frac{21\cdot20}{2}\cdot100 \\ &= \boxed{\textbf{(E) }21{,}000}. \end{align*}

我们应用以下对数恒等式： \[\log_{p^n}{q^n}=\log_{p}{q},\] 这可以通过变底公式证明：\[\log_{p^n}{q^n}=\frac{\log_{p}{q^n}}{\log_{p}{p^n}}=\frac{n\log_{p}{q}}{n}=\log_{p}{q}。\] 现在，我们简化求和内的表达式： \begin{align*} \log_{5^k}{{3^k}^2}&=\log_{5^k}{(3^k)^k} \\ &=k\log_{5^k}{3^k} \\ &=k\log_{5}{3}, \end{align*} 和 \begin{align*} \log_{9^k}{25^k}&=\log_{3^{2k}}{5^{2k}} \\ &=\log_{3}{5}. \end{align*} 使用这些结果，我们求值原表达式： \begin{align*} \left(\sum_{k=1}^{20} \log_{5^k} 3^{k^2}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{9^k} 25^k\right)&=\left(\sum_{k=1}^{20} k\log_{5}{3}\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} \log_{3}{5}\right) \\ &= \left(\log_{5}{3}\cdot\sum_{k=1}^{20} k\right)\cdot\left(\log_{3}{5}\cdot\sum_{k=1}^{100} 1\right) \\ &= \left(\sum_{k=1}^{20} k\right)\cdot\left(\sum_{k=1}^{100} 1\right) \\ &= \frac{21\cdot20}{2}\cdot100 \\ &= \boxed{\textbf{(E) }21{,}000}. \end{align*}

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