Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet63/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
can be realized by taking the solutions
(
u
k
, v
k
)
of Pell’s equation
u
2

2
v
2
=
1,
where
u
0
=
3,
v
0
=
2, and
u
k
, v
k
are obtained from the identity
(
u
0
+

2
v
0
)
k
(
u
0


2
v
0
)
k
=
(
u
k
+

2
v
k
)(
u
k


2
v
k
)
=
1
.
Second solution.
Consider the following identity:
(
a
+
1
)
4

(
a

1
)
4
=
8
a
3
+
8
a
,
where
a
is a positive integer. Take
a
=
b
3
, where
b
is an even integer. From the
above identity one obtains
(
b
3
+
1
)
4
=
(
2
b
3
)
3
+
(
2
b
)
3
+ [
(
b
3

1
)
2
]
2
.
Since
b
is an even number,
b
3
+
1 and
b
3

1 are odd numbers. It follows that
the numbers
x
=
2
b
3
,
y
=
2
b
,
z
=
(
b
3

1
)
2
, and
t
=
b
3
+
1 have no common
divisor greater than 1.
Additional Problems
Problem 8.2.6.
Let
p
be a prime number congruent to 3 modulo 4. Consider the
equation
(
p
+
2
)
x
2

(
p
+
1
)
y
2
+
px
+
(
p
+
2
)
y
=
1
.
Prove that this equation has infinitely many solutions in positive integers, and
show that if
(
x
,
y
)
=
(
x
0
,
y
0
)
is a solution of the equation in positive integers,
then
p
|
x
0
.
(2001 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Problem 8.2.7.
Determine all integers
a
for which the equation
x
2
+
ax y
+
y
2
=
1
has infinitely many distinct integer solutions
(
x
,
y
)
.
(1995 Irish Mathematical Olympiad)
Problem 8.2.8.
Prove that the equation
x
3
+
y
3
+
z
3
+
t
3
=
1999
has infinitely many integral solutions.
(1999 Bulgarian Mathematical Olympiad)


8.2. Quadratic Diophantine Equations
157
8.2.3
Other Quadratic Equations
There are many other general quadratic equations that appear in concrete situa-
tions. Here is an example.
Consider the equation
ax y
+
bx
+
cy
+
d
=
0
,
(
1
)
where
a
is a nonzero integer and
b
,
c
,
d
are integers such that
ad

bc
=
0.
Theorem 8.2.4.
If
gcd
(
a
,
b
)
=
gcd
(
a
,
c
)
=
1
, then equation (1) is solvable if and
only if there is a divisor m of ad

bc such that a
|
m

b or a
|
m

c.
Proof.
We can write (1) in the following equivalent form:
(
ax
+
c
)(
ay
+
b
)
=
bc

ad
.
(
2
)
If such a divisor
m
exists and
a
|
m

c
, then we take
ax
+
c
=
m
and
ay
+
b
=
m
, where
mm
=
bc

ad
. In order to have solutions, it suffices to
show that
a
|
m

b
. Indeed, the relation
mm
=
bc

ad
implies
(
ax
+
c
)
m
=
bc

ad
, which is equivalent to
a
(
m
x
+
d
)
= −
c
(
m

b
)
. Taking into account
that gcd
(
a
,
c
)
=
1, we get
a
|
m

b
.
The converse is clearly true.
Remarks.
In case of solvability, equation (1) has only finitely many solutions.
These solutions depend upon the divisors
m
of
ad

bc
.
Example.
Solve the equation
3
x y
+
4
x
+
7
y
+
6
=
0
.
Solution.
We have
ad

bc
= −
10, whose integer divisors are

10,

5,

2,

1,
1, 2, 5, 10. The conditions in Theorem 8.2.4 are satisfied only for
m
= −
5,

2,
1, 10. We obtain the solutions
(
x
,
y
)
=
(

4
,

2
)
,
(

3
,

3
)
,
(

2
,
2
)
,
(
1
,

1
)
,
respectively.
In what follows you can find several nonstandard quadratic equations.
Problem 8.2.9.
For any given positive integer n, determine (as a function of n)
the number of ordered pairs
(
x
,
y
)
of positive integers such that
x
2

y
2
=
10
2
·
30
2
n
.
Prove further that the number of such pairs is never a perfect square.
(1999 Hungarian Mathematical Olympiad)
Solution.
Because 10
2
·
30
2
n
is even,
x
and
y
must have the same parity. Then
(
x
,
y
)
is a valid solution if and only if
(
u
, v)
=
x
+
y
2
,
x

y
2
is a pair of positive
integers that satisfies
u
> v
and
u
v
=
5
2
·
30
2
n
. Now 5
2
·
30
2
n
=
2
2
n
·
3
2
n
·
5
2
n
+
2


158
I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
has exactly
(
2
n
+
1
)
2
(
2
n
+
3
)
factors. Thus without the condition
u
> v
there
are exactly
(
2
n
+
1
)
2
(
2
n
+
3
)
such pairs
(
u
, v)
. Exactly one pair has
u
=
v
, and
by symmetry half of the remaining pairs have
u
> v
. It follows that there are
1
2
((
2
n
+
1
)
2
(
2
n
+
3
)

1
)
=
(
n
+
1
)(
4
n
2
+
6
n
+
1
)
valid pairs.
Now suppose that
(
n
+
1
)(
4
n
2
+
6
n
+
1
)
were a square. Because
n
+
1 and
4
n
2
+
6
n
+
1
=
(
4
n
+
2
)(
n
+
1
)

1 are coprime, 4
n
2
+
6
n
+
1 must be a square
as well. However,
(
2
n
+
1
)
2
<
4
n
2
+
6
n
+
1
< (
2
n
+
2
)
2
, a contradiction.
Problem 8.2.10.
Prove that the equation a
2
+
b
2
=
c
2
+
3
has infinitely many
integer solutions
{
a
,
b
,
c
}
.
(1996 Italian Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
a
be any odd number, let
b
=
(
a
2

5
)/
2 and
c
=
(
a
2

1
)/
2. Then
c
2

b
2
=
(
c
+
b
)(
c

b
)
=
a
2

3
.
Remark.
Actually one can prove that any integer
n
can be represented in infinitely
many ways in the form
a
2
+
b
2

c
2
with
a
,
b
,
c

Z
.
Additional Problems
Problem 8.2.11.
Prove that the equation
x
2
+
y
2
+
z
2
+
3
(
x
+
y
+
z
)
+
5
=
0
has no solutions in rational numbers.
(1997 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Problem 8.2.12.
Find all integers
x
,
y
,
z
such that 5
x
2

14
y
2
=
11
z
2
.
(2001 Hungarian Mathematical Olympiad)
Problem 8.2.13.
Let
n
be a nonnegative integer. Find the nonnegative integers
a
,
b
,
c
,
d
such that
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
7
·
4
n
.
(2001 Romanian JBMO Team Selection Test)
Problem 8.2.14.
Prove that the equation
x
2
+
y
2
+
z
2
+
t
2
=
2
2004
,
where 0

x

y

x

t
, has exactly two solutions in the set of integers.
(2004 Romanian Mathematical Olympiad)


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
159
Problem 8.2.15.
Let
n
be a positive integer. Prove that the equation
x
+
y
+
1
x
+
1
y
=
3
n
does not have solutions in positive rational numbers.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   59   60   61   62   63   64   65   66   ...   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