Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet118/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   114   115   116   117   118   119   120   121   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

9.3
Sequences of Integers
9.3.1
Fibonacci and Lucas Sequences
Problem 9.3.5.
Determine the maximum value of m
2
+
n
2
, where m and n are
integers satisfying
1

m
,
n

1981
and
(
n
2

mn

m
2
)
2
=
1
.
(22nd International Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
S
be the set of pairs
(
n
,
m
)
of positive integers satisfying the equa-
tion
(
x
2

x y

y
2
)
2
=
1
.
(
1
)
If
n
=
m
, then
n
=
m
=
1. Hence
(
1
,
1
)

S
. It is clear that
(
1
,
0
)
and
(
0
,
1
)
are also solutions to equation (1).
We will consider solutions
(
n
,
m
)
with distinct components. Using Fermat’s
method of infinite descent we obtain the following important result on the set
S
.
Lemma.
If
(
n
,
m
)
is a positive solution to equation
(
1
)
and n
=
m, then n
>
m
>
n

m and
(
m
,
n

m
)
is also a solution to
(
1
)
.
Proof.
From
n
2

nm

m
2
= ±
1, we obtain
n
2
=
m
2
+
nm
±
1
<
m
2
; thus
n
>
m
. Also from
n
2

nm

m
2
= ±
1, we obtain
m
2

m
(
n

m
)

(
n

m
)
2
=
m
2
+
mn

n
2
= ∓
1
.
Apply the first part to the solution
(
m
,
n

m
)
and obtain
m
>
n

m
.
From the lemma we deduce that any pair
(
n
,
m
)

S
gives rise to a pair
(
m
,
n

m
)

M
, which gives rise to a pair
(
a
+
b
,
a
)

M
. In this way, by the
method of descent
(
n
,
m
)

(
m
,
n

m
)
, or by the method of ascent
(
a
,
b
)

(
a
+
b
,
a
)
, we obtain a new solution of the equation. The methods of ascent and
descent are the reverse of each other.
By applying the descending method to a pair
(
n
,
m
)

S
we can only have
finitely many steps, because
n

m
<
m
. Hence, in a finite number of steps we
obtain a pair with
n
=
m
, the pair
(
1
,
1
)
. Thus, all solutions
(
n
,
m
)

S
are
obtained from the pair
(
1
,
0
)
by applying the ascending method:
(
1
,
0
)

(
1
,
1
)

(
2
,
1
)

(
3
,
2
)

(
5
,
3
)

. . .
The components of all such pairs are Fibonacci numbers
F
n
. In this way, the
ascending transformation is exactly the following:
(
F
n
,
F
n

1
)

(
F
n
+
1
,
F
n
).


336
II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
Thus, to obtain the solution
(
n
,
m
)
with maximum value of
n
2
+
m
2
we con-
sider the members of the Fibonacci sequence, not exceeding 1981:
0
,
1
,
1
,
2
,
3
,
5
,
8
,
13
,
21
,
34
,
55
,
89
,
144
,
233
,
377
,
610
,
987
,
1597
.
So, the required maximum is 987
2
+
1597
2
.
Remark.
Fibonacci numbers
F
n
have the property
F
2
n
+
1

F
n
F
n
+
1

F
2
n
= ±
1
,
for all
n

0
.
To prove it for
n
=
0 or
n
=
1 it is equivalent to see that
(
1
,
0
)

S
and that
(
1
,
1
)

S
. Further, we can use induction. The relation
F
2
n
+
1

F
n
F
n
+
1

F
2
n
= ±
1
implies
F
2
n
+
2

F
n
+
1
F
n
+
2

F
2
n
+
1
=
(
F
n
+
1
+
F
n
)
2

F
n
+
1
(
F
n
+
1
+
F
n
)

F
2
n
+
1
= −
(
F
2
n
+
1

F
n
F
n
+
1

F
2
n
)
= ∓
1
.
So in fact,
F
2
n
+
1

F
n
F
n
+
1

F
2
n
=
(

1
)
n
.
Another way to prove this relation is to use the matrix form for the Fibonacci
numbers and get
1 1
1 0
n
+
1
=
F
n
+
2
F
n
+
1
F
n
+
1
F
n
.
Passing to determinants on both sides yields
(

1
)
n
+
1
=
F
n
+
2
F
n

F
2
n
+
1
=
(
F
n
+
1
+
F
n
)
F
n

F
2
n
+
1
=
F
2
n
+
F
n
F
n
+
1

F
2
n
+
1
.
Problem 9.3.6.
Prove that for any integer n

4
, F
n
+
1
is not a prime.
First solution.
We have the identity
F
4
n

1
=
F
n

2
F
n

1
F
n
+
1
F
n
+
2
.
(
2
)
Assume that
F
n
+
1 is a prime for some positive integer
n

4. Using (1), it
follows that
F
n
+
1 divides at least one of the integers
F
n

2
,
F
n

1
,
F
n
+
1
,
F
n
+
2
.
Since
F
n
+
1 is greater than
F
n

2
and
F
n

1
, it follows that
F
n
+
1 divides
F
n
+
1
or
F
n
+
2
. But
F
n
+
1
<
2
F
n
and
F
n
+
2
<
4
F
n
; hence
F
n
+
1 cannot divide
F
n
+
1
or
F
n
+
2
, and the desired conclusion follows.


9.3. Sequences of Integers
337
Second solution.
Note the four equalities
F
4
m
+
1
+
1
=
L
2
n
+
1
F
2
n

1
,
F
4
n
+
1
+
1
=
L
2
n
F
2
n
+
1
,
F
4
n
+
2
+
1
=
L
2
n
F
2
n
+
2
,
F
4
n
+
3
+
1
=
L
2
n
+
2
F
2
n
+
1
,
which follow from the Binet formula or induction.
Problem 9.3.7.
Let k be an integer greater than
1
, a
0
=
4
, a
1
=
a
2
=
(
k
2

2
)
2
,
and
a
n
+
1
=
a
n
a
n

1

2
(
a
n
+
a
n

1
)

a
n

2
+
8
for n

2
.
Prove that
2
+

a
n
is a perfect square for all n.
Solution.
The Fibonacci numbers are involved here again, but it is much harder
to guess how they are related to the solution.
Let
λ, μ
be the roots of the equation
t
2

kt
+
1
=
0. Notice that
λ
+
μ
=
k
,
λμ
=
1. Augmenting the Fibonacci sequence by setting
F
0
=
0, we claim that
a
n
=

2
F
n
+
μ
2
F
n
)
2
for
n
=
0
,
1
,
2
, . . .
This is readily checked for
n
=
0
,
1
,
2. Assume that it holds for all
k

n
.
Note that the given recursion can be written as
a
n
+
1

2
=
(
a
n

2
)(
a
n

1

2
)

(
a
n

2

2
),
and that
a
k
=

2
F
k
+
μ
2
F
k
)
2
is equivalent to
a
k

2
=
λ
4
F
k
+
μ
4
F
k
. Using the
induction hypothesis for
k
=
n

2
,
n

1
,
n
, we obtain
a
n
+
1

2
=

4
F
n
+
μ
4
F
n
)(λ
4
F
n

1
+
μ
4
F
n

1
)


4
F
n

2
+
μ
4
F
n

2
)
=
λ
4
(
F
n
+
F
n

1
)
+
μ
4
(
F
n
+
F
n

1
)
+
λ
4
(
F
n

1
+
F
n

2
)
μ
4
F
n

1
+
μ
4
(
F
n

1
+
F
n

2
)
λ
4
F
n

1


4
F
n

2
+
μ
4
F
n

2
)
=
λ
4
F
n
+
1
+
μ
4
F
n
+
1
+
(λμ)
4
F
n

1

4
F
n

2
+
μ
4
F
n

2
)


4
F
n

2
+
μ
4
F
n

2
).
Since
λμ
=
1, it follows that
a
n
+
1
=
2
+
λ
4
F
n
+
1
+
μ
4
F
n
+
1
=

2
F
n
+
1
+
μ
2
F
n
+
1
)
2
,
and the induction is complete.
Now
2
+

a
n
=
2
+
λ
2
F
n
+
μ
2
F
n
=

F
n
+
μ
F
n
)
2
.
Since

m

1
+
μ
m

1
)(λ
+
μ)
=

m
+
μ
m
)
+
λμ(λ
m

2
+
μ
m

2
),


338

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   114   115   116   117   118   119   120   121   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish