Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet60/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   56   57   58   59   60   61   62   63   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
Corollary 8.1.2.
Let a
1
,
a
2
be relatively prime integers. If
(
u
, v)
is a solution to
the equation
a
1
x
1
+
a
2
x
2
=
b
,
(
2
)
then all of its solutions are given by
x
1
=
u
+
a
2
t
,
x
2
=
v

a
1
t
,
(
3
)
where t

Z
.
Example.
Solve the equation
3
x
+
4
y
+
5
z
=
6
.
Solution.
Working modulo 5, we have 3
x
+
4
y

1
(
mod 5
)
; hence
3
x
+
4
y
=
1
+
5
s
,
s

Z
.
A solution to this equation is
x
= −
1
+
3
s
,
y
=
1

s
. Applying (3) we obtain
x
= −
1
+
3
s
+
4
t
,
y
=
1

s

3
t
,
t

Z
, and substituting back into the original
equation yields
z
=
1

s
. Hence all solutions are
(
x
,
y
,
z
)
=
(

1
+
3
s
+
4
t
,
1

s

3
t
,
1

s
),
s
,
t

Z
.
Problem 8.1.1.
Solve in nonnegative integers the equation
x
+
y
+
z
+
x yz
=
x y
+
yz
+
zx
+
2
.
Solution.
We have
x yz

(
x y
+
yz
+
zx
)
+
x
+
y
+
z

1
=
1
,
and consequently,
(
x

1
)(
y

1
)(
z

1
)
=
1
.
Because
x
,
y
,
z
are nonnegative integers, we obtain
x

1
=
y

1
=
z

1
=
1
,
so
x
=
y
=
z
=
2.
Problem 8.1.2.
Find all triples
(
x
,
y
,
z
)
of integers such that
x
2
(
y

z
)
+
y
2
(
z

x
)
+
z
2
(
x

y
)
=
2
.
Solution.
The equation is equivalent to
(
x

y
)(
x

z
)(
y

z
)
=
2
.


8.1. Linear Diophantine Equations
147
Observe that
(
x

y
)
+
(
y

z
)
=
x

z
. On the other hand, 2 can be written
as a product of three integers in the following ways:
(i) 2
=
(

1
)
·
(

1
)
·
2,
(ii) 2
=
1
·
1
·
2,
(iii) 2
=
(

1
)
·
1
·
(

2
)
.
Since in the first case no two factors add up to the third, we have only three
possibilities up to cyclic rotation:
(a)



x

y
=
1
x

z
=
2
y

z
=
1
, so
(
x
,
y
,
z
)
=
(
k
+
1
,
k
,
k

1
)
for some integer
k
;
(b)



x

y
= −
2
x

z
= −
1
y

z
=
1
, so
(
x
,
y
,
z
)
=
(
k

1
,
k
+
1
,
k
)
for some integer
k
;
(c)



x

y
=
1
x

z
= −
1
y

z
= −
2
, so
(
x
,
y
,
z
)
=
(
k
,
k

1
,
k
+
1
)
for some integer
k
.
Problem 8.1.3.
Let p and q be prime numbers. Find all positive integers x and y
such that
1
x
+
1
y
=
1
pq
.
Solution.
The equation is equivalent to
(
x

pq
)(
y

pq
)
=
p
2
q
2
.
We have the cases:
(1)
x

pq
=
1,
y

pq
=
p
2
q
2
, so
x
=
1
+
pq
,
y
=
pq
(
1
+
pq
)
.
(2)
x

pq
=
p
,
y

pq
=
pq
2
, so
x
=
p
(
1
+
q
)
,
y
=
pq
(
1
+
q
)
.
(3)
x

pq
=
q
,
y

pq
=
p
2
q
, so
x
=
q
(
1
+
p
)
,
y
=
pq
(
1
+
p
)
.
(4)
x

pq
=
p
2
,
y

pq
=
q
2
, so
x
=
p
(
p
+
q
)
,
y
=
q
(
p
+
q
)
.
(5)
x

pq
=
pq
,
y

pq
=
pq
, so
x
=
2
pq
,
y
=
2
pq
.
The equation is symmetric, so we have also:
(6)
x
=
pq
(
1
+
pq
),
y
=
1
+
pq
.
(7)
x
=
pq
(
1
+
q
),
y
=
p
(
1
+
q
)
.
(8)
x
=
pq
(
1
+
p
),
y
=
q
(
1
+
p
)
.
(9)
x
=
q
(
1
+
q
),
y
=
p
(
p
+
q
)
.
Additional Problems
Problem 8.1.4.
Solve in integers the equation
(
x
2
+
1
)(
y
2
+
1
)
+
2
(
x

y
)(
1

x y
)
=
4
(
1
+
x y
).


148
I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
Problem 8.1.5.
Determine the side lengths of a right triangle if they are integers
and the product of the legs’ lengths equals three times the perimeter.
(1999 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 8.1.6.
Let
a
,
b
, and
c
be positive integers each two of them being rel-
atively prime. Show that 2
abc

ab

bc

ca
is the largest integer that cannot
be expressed in the form
xbc
+
yca
+
zab
, where
x
,
y
, and
z
are nonnegative
integers.
(24th International Mathematical Olympiad)
8.2
Quadratic Diophantine Equations
8.2.1
The Pythagorean Equation
One of the most celebrated Diophantine equations is the so-called
Pythagorean
equation
x
2
+
y
2
=
z
2
.
(
1
)
Studied in detail by Pythagoras
2
in connection with right-angled triangles whose
side lengths are all integers, this equation was known even to the ancient Babylo-
nians.
Note first that if the triple of integers
(
x
0
,
y
0
,
z
0
)
satisfies equation (1), then
all triples of the form
(
kx
0
,
ky
0
,
kz
0
)
,
k

Z
, also satisfy (1). That is why it is
sufficient to find solutions
(
x
,
y
,
z
)
to (1) with gcd
(
x
,
y
,
z
)
=
1. This is equivalent
to the condition that
x
,
y
,
z
be pairwise relatively prime, since any prime that
divides two of
x
,
y
,
z
also divides the third.
A solution
(
x
0
,
y
0
,
z
0
)
to (1) where
x
0
,
y
0
,
z
0
are pairwise relatively prime is
called a
primitive solution
.
Theorem 8.2.1.
Any primitive solution
(
x
,
y
,
z
)
in positive integers to equation
(1) up to the symmetry of x and y is of the form
x
=
m
2

n
2
,
y
=
2
mn
,
z
=
m
2
+
n
2
,
(
2
)
where m and n are relatively prime positive integers such that m
>
n and m

n
(
mod 2
)
(i.e., exactly one is odd).
Proof.
The identity
(
m
2

n
2
)
2
+
(
2
mn
)
2
=
(
m
2
+
n
2
)
2
2
Pythagoras of Samos (ca. 569–475 B.C.E.), Greek philosopher who made fundamental devel-
opments in mathematics, astronomy, and the theory of music. The theorem now known as the
Pythagorean theorem was known to the Babylonians 1000 years earlier, but Pythagoras may have
been the first to prove it.


8.2. Quadratic Diophantine Equations
149
shows that the triple given by (2) is indeed a solution to equation (1) and
y
is even.
The integers
x
and
y
cannot be both odd, for otherwise
z
2
=
x
2
+
y
2

2
(
mod 4
),
a contradiction. Hence exactly one of the integers
x
and
y
is even.
Assume that
m
is odd and
n
is even. If gcd
(
x
,
y
,
z
)
=
d

2, then
d
divides
2
m
2
=
(
m
2
+
n
2
)
+
(
m
2

n
2
)
and
d
divides
2
n
2
=
(
m
2
+
n
2
)

(
m
2

n
2
).
Since
m
and
n
are relatively prime, it follows that
d
=
2. Hence
m
2
+
n
2
is
even, in contradiction to the fact that exactly one of
m
and
n
is odd. It follows that
d
=
1, so the solution (2) is primitive.
Conversely, let
(
x
,
y
,
z
)
be a primitive solution to (1) with
y
=
2
a
. Then
x
and
z
are odd, and consequently the integers
z
+
x
and
z

x
are even. Let
z
+
x
=
2
b
and
z

x
=
2
c
. We may assume that
b
and
c
are relatively prime,
for otherwise
z
and
x
would have a nontrivial common divisor. On the other hand,
4
a
2
=
y
2
=
z
2

z
2
=
(
z
+
x
)(
z

x
)
=
4
bc
, i.e.,
a
2
=
bc
. Since
b
and
c
are
relatively prime, it follows that
b
=
m
2
and
c
=
n
2
for some positive integers
m
and
n
with
m
+
n
odd. We obtain
x
=
b

c
=
m
2

n
2
,
y
=
2
mn
,
z
=
b
+
c
=
m
2
+
n
2
.
A triple
(
x
,
y
,
z
)
of the form (2) is called a
Pythagorean triple
.
In order to list systematically all the primitive solutions to equation (1) with
(2) giving a primitive Pythagorean triple, we assign values 2
,
3
,
4
, . . .
for the
number
m
successively, and then for each of these values we take those integers
n
that are relatively prime to
m
, less than
m
, and even whenever
m
is odd.
Here is the table of the first twenty primitive solutions listed according to the
above-mentioned rule.
m n x
y
z
area
m n x
y
z
area
2 1 3
4
5
6
7 6 13 84
85
546
3 2 5 12 13
30
8 1 63 16
65
504
4 1 15 8 17
60
8 3 55 48
73 1320
4 3 7 24 25
84
8 5 39 80
89 1560
5 2 21 20 29 210
8 7 15 112 113 840
5 4 9 40 41 180
9 2 77 36
85 1386
6 1 35 12 37 210
9 4 65 72
97 2340
6 5 11 60 61 330
9 8 17 144 145 1224
7 2 45 28 53 630 10 1 99 20 101 990
7 4 33 56 65 924 10 3 91 60 109 2730


150

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   56   57   58   59   60   61   62   63   ...   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