Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet65/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   61   62   63   64   65   66   67   68   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
Problem 8.3.9.
Find the smallest value for n for which there exist positive integers
x
1
, . . . ,
x
n
with
x
4
1
+
x
4
2
+ · · · +
x
4
n
=
1998
.
Solution.
Observe that for any integer
x
we have
x
4
=
16
k
or
x
4
=
16
k
+
1 for
some
k
.
Since 1998
=
16
·
124
+
14, it follows that
n

14.
If
n
=
14, all the numbers
x
1
,
x
2
, . . . ,
x
14
must be odd, so let
x
4
k
=
16
a
k
+
1.
Then
a
k
=
x
4
k

1
16
,
k
=
1
,
2
, . . . ,
14; hence
a
k
∈ {
0
,
5
,
39
,
150
, . . .
}
and
a
1
+
a
2
+
· · · +
a
14
=
124. It follows that
a
k
∈ {
0
,
5
,
39
}
for all
k
=
1
,
2
, . . . ,
14, and
since 124
=
5
·
24
+
4, the number of terms
a
k
equal to 39 is 1 or at least 6. A
simple analysis shows that the claim fails in both cases; hence
n

15. Any of the
equalities
1998
=
5
4
+
5
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
2
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
=
5
4
+
5
4
+
4
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
3
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
+
1
4
proves that
n
=
15.
Problem 8.3.10.
Find all positive integer solutions
(
x
,
y
,
z
,
t
)
of the equation
(
x
+
y
)(
y
+
z
)(
z
+
x
)
=
t x yz
such that
gcd
(
x
,
y
)
=
gcd
(
y
,
z
)
=
gcd
(
z
,
x
)
=
1
.
(1995 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
It is obvious that
(
x
,
x
+
y
)
=
(
x
,
x
+
z
)
=
1, and
x
divides
y
+
z
,
y
divides
z
+
x
, and
z
divides
x
+
y
. Let
a
,
b
, and
c
be integers such that
x
+
y
=
cz
,
y
+
z
=
ax
,
z
+
x
=
by
.
We may assume that
x

y

z
. If
y
=
z
, then
y
=
z
=
1 and then
x
∈ {
1
,
2
}
. If
x
=
y
, then
x
=
y
=
1 and
z
=
1. So assume that
x
>
y
>
z
. Since
a
=
y
+
z
x
<
2, we have
a
=
1 and
x
=
y
+
z
. Thus,
y
|
y
+
2
z
and
y
|
2
z
. Since
y
>
z
,
y
=
2
z
and since gcd
(
y
,
z
)
=
1, one has
z
=
1,
y
=
2,
x
=
3.
Finally, the solutions are
(
1
,
1
,
1
,
8
)
,
(
2
,
1
,
1
,
9
)
,
(
3
,
2
,
1
,
10
)
and those ob-
tained by permutations of
x
,
y
,
z
.


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
163
Problem 8.3.11.
Determine all triples of positive integers a
,
b
,
c such that a
2
+
1
,
b
2
+
1
are prime and
(
a
2
+
1
)(
b
2
+
1
)
=
c
2
+
1
.
(2002 Polish Mathematical Olympiad)
Solution.
Of course, we may assume that
a

b
. Since
a
2
(
b
2
+
1
)
=
(
c

b
)(
c
+
b
)
and
b
2
+
1 is a prime, we have
b
2
+
1
|
c

b
or
b
2
+
1
|
c
+
b
. If
b
2
+
1
|
c

b
,
then
a
2

c
+
b

b
2
+
2
b
+
1; impossible, since
a

b
. So there is
k
such that
c
+
b
=
k
(
b
2
+
1
)
and
a
2
=
k
(
b
2
+
1
)

2
b
. Thus,
b
2

k
(
b
2
+
1
)

2
b
>
kb
2

2
b
,
whence
k

2. If
k
=
2, then
b
2

2
b
2

2
b
+
2; thus
(
b

1
)
2
+
1

0, false.
Thus
k
=
1 and
a
=
b

1. But then
b
2
+
1 and
(
b

1
)
2
+
1 are primes and at least
one of them is even, forcing
b

1
=
1 and
b
=
2,
a
=
1,
c
=
3. By symmetry,
we obtain
(
a
,
b
,
c
)
=
(
1
,
2
,
3
)
or
(
2
,
1
,
3
)
.
Additional Problems
Problem 8.3.12.
Prove that there are no positive integers
x
and
y
such that
x
5
+
y
5
+
1
=
(
x
+
2
)
5
+
(
y

3
)
5
.
Problem 8.3.13.
Prove that the equation
y
2
=
x
5

4 has no integer solutions.
(1998 Balkan Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.14.
Let
m
,
n
>
1 be integers. Solve in positive integers the equation
x
n
+
y
n
=
2
m
.
(2003 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.15.
For a given positive integer
m
, find all triples
(
n
,
x
,
y
)
of positive
integers such that
m
,
n
are relatively prime and
(
x
2
+
y
2
)
m
=
(
x y
)
n
, where
n
,
x
,
y
can be represented in terms of
m
.
(1995 Korean Mathematical Olympiad)
8.3.3
Exponential Diophantine Equations
Problem 8.3.16.
Find the integer solutions to the equation
9
x

3
x
=
y
4
+
2
y
3
+
y
2
+
2
y
.
Solution.
We have successively
4
((
3
x
)
2

3
x
)
+
1
=
4
y
4
+
8
y
3
+
4
y
2
+
8
y
+
1
,


164
I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
then
(
2
t

1
)
2
=
4
y
4
+
8
y
3
+
4
y
2
+
8
y
+
1
,
where 3
x
=
t

1, since it is clear that there are no solutions with
x
<
0.
Observe that
(
2
y
2
+
2
y
)
2
<
E

(
2
y
2
+
2
y
+
1
)
2
.
Since
E
=
(
2
t

1
)
2
is a square, then
E
=
(
2
y
2
+
2
y
+
1
)
2
if and only if
4
y
(
y

1
)
=
0
,
so
y
=
0 or
y
=
1.
If
y
=
0, then
t
=
1 and
x
=
0.
If
y
=
1, then
t
=
3 and
x
=
1.
Hence the solutions
(
x
,
y
)
are
(
0
,
0
)
and
(
1
,
1
)
.
Problem 8.3.17.
The positive integers x
,
y
,
z satisfy the equation
2
x
x
=
y
y
+
z
z
.
Prove that x
=
y
=
z.
(1997 St. Petersburg City Mathematical Olympiad)
Solution.
We note that
(
x
+
1
)
x
+
1

x
x
+
1
+
(
x
+
1
)
x
x
>
2
x
x
. Thus we cannot
have
y
>
x
or
z
>
x
, since otherwise, the right side of the equation will exceed
the left. But then 2
x
x

y
y
+
z
z
, with equality if and only if
x
=
y
=
z
.
Problem 8.3.18.
Find all solutions in nonnegative integers x
,
y
,
z of the equation
2
x
+
3
y
=
z
2
.
(1996 United Kingdom Mathematical Olympiad)
Solution.
If
y
=
0, then 2
x
=
z
2

1
=
(
z
+
1
)(
z

1
)
, so
z
+
1 and
z

1 are powers
of 2. The only powers of 2 that differ by 2 are 4 and 2, so
(
x
,
y
,
z
)
=
(
3
,
0
,
3
)
.
If
y
>
0, then taking the equation mod 3, it follows that
x
is even. Now we
have 3
y
=
z
2

2
x
=
(
z
+
2
x
/
2
)(
z

2
x
/
2
)
. The factors are powers of 3, say
z
+
2
x
/
2
=
3
m
and
z

2
x
/
2
=
3
n
, but then 3
m

3
n
=
2
x
/
2
+
1
. Since the right side
is not divisible by 3, we must have
n
=
0 and
3
m

1
=
2
x
/
2
+
1
.
If
x
=
0, we have
m
=
1, yielding
(
x
,
y
,
z
)
=
(
0
,
1
,
2
)
. Otherwise, 3
m

1 is
divisible by 4, so
m
is even and 2
x
/
2
+
1
=
(
3
m
/
2
+
1
)(
3
m
/
2

1
)
. The two factors
on the right are powers of 2 differing by 2, so they are 2 and 4, giving
x
=
4 and
(
x
,
y
,
z
)
=
(
4
,
2
,
5
)
.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   61   62   63   64   65   66   67   68   ...   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