Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet61/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   57   58   59   60   61   62   63   64   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
Corollary 8.2.2.
The general integral solution to (1) is given by
x
=
k
(
m
2

n
2
),
y
=
2
kmn
,
z
=
k
(
m
2
+
n
2
),
(
3
)
where k
,
m
,
n

Z
.
Problem 8.2.1.
Solve the following equation in positive integers:
x
2
+
y
2
=
1997
(
x

y
).
(1998 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Solution.
The solutions are
(
x
,
y
)
=
(
170
,
145
)
or
(
1827
,
145
).
We have
x
2
+
y
2
=
1997
(
x

y
),
2
(
x
2
+
y
2
)
=
2
·
1997
(
x

y
),
x
2
+
y
2
+
(
x
2
+
y
2

2
·
1997
(
x

y
))
=
0
,
(
x
+
y
)
2
+
((
x

y
)
2

2
·
1997
(
x

y
))
=
0
,
(
x
+
y
)
2
+
(
1997

x
+
y
)
2
=
1997
2
.
Since
x
and
y
are positive integers, 0
<
x
+
y
<
1997 and 0
<
1997

x
+
y
<
1997. Thus the problem reduces to solving
a
2
+
b
2
=
1997
2
in positive integers.
Since 1997 is a prime, gcd
(
a
,
b
)
=
1. By Pythagorean substitution, there are
positive integers
m
>
n
such that gcd
(
m
,
n
)
=
1 and
1997
=
m
2
+
n
2
,
a
=
2
mn
,
b
=
m
2

n
2
.
Since
m
2
,
n
2

0
,
1
,

1
(
mod 5
)
and 1997

2
(
mod 5
)
, we have
m
,
n

±
1
(
mod 5
)
. Since
m
2
,
n
2

0
,
1
(
mod 3
)
and 1997

2
(
mod 3
)
, we have
m
,
n
≡ ±
1
(
mod 3
)
. Therefore
m
,
n

1
,
4
,
11
,
14
(
mod 15
)
. Since
m
>
n
,
1997
/
2

m
2

1997. Thus we need to consider only
m
=
34
,
41
,
44. The only
solution is
(
m
,
n
)
=
(
34
,
29
)
. Thus
(
a
,
b
)
=
(
1972
,
315
),
which leads to our two solutions.
Problem 8.2.2.
Let p
,
q
,
r be primes and let n be a positive integer such that
p
n
+
q
n
=
r
2
.
Prove that n
=
1
.
(2004 Romanian Mathematical Olympiad)


8.2. Quadratic Diophantine Equations
151
Solution.
Assume that
n

2 satisfies the relation in the problem. Clearly one of
the primes
p
,
q
, and
r
is equal to 2. If
r
=
2 then
p
n
+
q
n
=
4, false, so assume
that
p
>
q
=
2.
Consider the case that
n
>
1 is odd; we have
(
p
+
2
)(
p
n

1

2
p
n

2
+
2
2
p
n

3
− · · · +
2
n

1
)
=
r
2
.
Notice that
p
n

1

2
p
n

2
+
2
2
p
n

3
− · · · +
2
n

1
=
2
n

1
+
(
p

2
)(
p
n

2
+
2
2
p
n

4
+ · · · +
1
) >
1
and
p
+
2
>
1 hence both factors are equal to
r
. This can be written as
p
n
+
2
n
=
(
p
+
2
)
2
=
p
2
+
4
p
+
4, which is false for
n

3.
Consider the case that
n
>
1 is even and let
n
=
2
m
. From Theorem 8.2.1 it
follows that
p
m
=
a
2

b
2
, 2
m
=
2
ab
and
r
=
a
2
+
b
2
, for some integers
a
,
b
with
(
a
,
b
)
=
1. Therefore,
a
and
b
are powers of 2, so
b
=
1 and
a
=
2
m

1
.
This implies
p
m
=
4
m

1

1
<
4
m
, so
p
must be equal to 3. The equality
3
m
=
4
m

1

1 fails for
m
=
1 and also for
m

2, since 4
m

1
>
3
m
+
1, by
induction.
Consequently
n
=
1. For example, in this case we can take
p
=
23,
q
=
2,
and
r
=
5.
Additional Problems
Problem 8.2.3.
Find all Pythagorean triangles whose areas are numerically equal
to their perimeters.
Problem 8.2.4.
Prove that for every positive integer
n
there is a positive integer
k
such that
k
appears in exactly
n
nontrivial Pythagorean triples.
(American Mathematical Monthly)
Problem 8.2.5.
Find the least perimeter of a right-angled triangle whose sides and
altitude are integers.
(Mathematical Reflections)
8.2.2
Pell’s Equation
A special quadratic equation is
u
2

D
v
2
=
1
,
(
1
)
where
D
is a positive integer that is not a perfect square. Equation (1) is called
Pell’s
3
equation
, and it has numerous applications in various fields of mathemat-
3
John Pell (1611–1685), English mathematician best known for
Pell’s equation
, which in fact he
had little to do with.


152
I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
ics. We will present an elementary approach to solving this equation, due to La-
grange.
Theorem 8.2.3.
If D is a positive integer that is not a perfect square, then equa-
tion
(1)
has infinitely many solutions in positive integers, and the general solution
is given by
(
u
n
, v
n
)
n

1
,
u
n
+
1
=
u
1
u
n
+
D
v
1
v
n
, v
n
+
1
=
v
1
u
n
+
u
1
v
n
,
(
2
)
where
(
u
1
, v
1
)
is its fundamental solution, i.e., the minimal solution different from
(
1
,
0
)
.
Proof.
First, we will prove that equation (1) has a fundamental solution.
Let
c
1
be an integer greater than 1. We will show that there exist integers
t
1
, w
1

1 such that
t
1

w
1

D
<
1
c
1
, w
1

c
1
.
Indeed, considering
l
k
= [
k

D
+
1
]
,
k
=
0
,
1
, . . . ,
c
1
, yields 0
<
l
k

k

D

1,
k
=
0
,
1
, . . . ,
c
1
, and since

D
is an irrational number, it follows that
l
k
=
l
k
whenever
k
=
k
.
There exist
i
,
j
,
p
∈ {
0
,
1
,
2
, . . . ,
c
1
}
,
i
=
j
,
p
=
0, such that
p

1
c
1
<
l
i

i

D

p
c
1
and
p

1
c
1
<
l
j

j

D

p
c
1
because there are
c
1
intervals of the form
p

1
c
1
,
p
c
1
,
p
=
0
,
1
, . . . ,
c
1
, and
c
1
+
1
numbers of the form
l
k

k

D
,
k
=
0
,
1
, . . . ,
c
1
.
Assume
j
>
i
and note that
l
j
>
l
i
.
From the inequalities above it follows that
|
(
l
k

l
i
)

(
j

i
)

D
|
<
1
c
1
, and
setting
|
l
j

l
i
| =
t
1
and
|
j

i
| =
w
1
yields
|
t
1

w
1

D
|
<
1
c
1
and
w
1

c
1
.
Multiplying this inequality by
t
1
+
w
1

D
<
2
w
1

D
+
1 gives
|
t
2
1

D
w
2
1
|
<
2
w
1
c
1

D
+
1
c
1
<
2

D
+
1
.
Choosing a positive integer
c
2
>
c
1
such that
|
t
1

w
1

D
|
>
1
c
2
, we obtain
positive integers
t
2
, w
2
with the properties
|
t
2
2

D
w
2
2
|
<
2

D
+
1
and
|
t
1

t
2
| + |
w
1

w
2
| =
0
.
By continuing this procedure, we obtain a sequence of distinct pairs
(
t
n
, w
n
)
n

1
satisfying the inequalities
|
t
2
n

D
w
2
n
|
<
2

D
+
1 for all positive integers
n
.
It follows that the interval
(

2

D

1
,
2

D
+
1
)
contains a nonzero integer
k



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   57   58   59   60   61   62   63   64   ...   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