Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet112/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   108   109   110   111   112   113   114   115   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

Second solution.
We show that 3
N
appears in exactly
N
Pythagorean triples.
Obviously 3
N
cannot be the even side. To see that 3
N
cannot be the hypotenuse,
suppose
N
is the least power of 3 that occurs as the hypotenuse. Squares are 0 or 1
(
mod 3
)
; hence 3
|
x
2
+
y
2
implies 3
|
x
and 3
|
y
. But then canceling a common
factor of 3 gives a Pythagorean triple with 3
N

1
as the hypotenuse, contradicting
the choice of
N
. Thus the number of Pythagorean triples in which it appears is
exactly the number of solutions to 3
N
=
k
(
m
2

n
2
)
with gcd
(
m
,
n
)
=
1. For
such a solution
k
=
3
r
for some 0

r

N

1 and
(
m

n
)(
m
+
n
)
=
3
N

r
. But
if
m
+
n
and
m

n
are both nontrivial powers of 3, then we get 3
|
m
and 3
|
n
,
contradicting the fact that gcd
(
m
,
n
)
=
1. Thus
m
+
n
=
3
N

r
and
m

n
=
1.
Thus we get exactly
N
solutions.
Problem 8.2.5.
Find the least perimeter of a right-angled triangle whose sides
and altitude are integers.
(Mathematical Reflections)


8.2. Quadratic Diophantine Equations
315
Solution.
The answer for the least possible perimeter is 60. It holds for a right-
angled triangle
(
15
,
20
,
25
)
, whose altitude is 12.
Let
x
,
y
,
z
be a Pythagorean triple with
z
the hypotenuse and let
h
be the
altitude of the triangle. Let
d
=
gcd
(
x
,
y
,
z
)
be the greatest common divisor of
x
,
y
,
z
. We have that
x
=
d
·
a
,
y
=
d
·
b
, and
z
=
d
·
c
for
a
,
b
,
c
a primitive
Pythagorean triple. Now calculating the area of the triangle in two ways, we obtain
that
h
=
x y
z
=
abd
c
. Using the fact that gcd
(
ab
,
c
)
=
1, we get
c
|
d
, which tells
us that
c

d
, since both are positive integers. Because the perimeter is equal to
d
(
a
+
b
+
c
)

c
(
a
+
b
+
c
)
, we can minimize it by taking
c
=
d
. Then the
altitude of a right-angled triangle having sides
ca
,
cb
,
c
2
(with
c
2
the hypotenuse)
is
ab
, an integer. We get the perimeter
p
=
c
(
a
+
b
+
c
).
(
1
)
We know that
a
,
b
,
c
is a primitive Pythagorean triple if and only if there exist
m
,
n

Z
+
such that gcd
(
m
,
n
)
=
1,
m

n
(
mod 2
)
,
m
>
n
>
0, that satisfy
a
=
m
2

n
2
,
b
=
2
mn
,
c
=
m
2
+
n
2
. Replacing in (1), we notice that all we
need to find is the minimum value of
p
=
(
m
2
+
n
2
)(
2
m
2
+
2
mn
).
Clearly
m
>
n
>
0; therefore
m

2 and
n

1. Thus
p

(
2
2
+
1
)(
2
·
2
2
+
2
·
2
·
1
)
=
60
.
Now the triangle with sides
(
15
,
20
,
25
)
satisfies all the conditions of the orig-
inal problem, and its perimeter is 60. the problem is solved.
8.2.2
Pell’s Equation
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)
Solution.
We show first that
p
|
x
. Substituting
y
=
z
+
1 and rewriting, we
obtain
x
2
=
(
z

x
)((
p
+
1
)(
z
+
x
)
+
p
).
Let
q
=
gcd
(
z

x
, (
p
+
1
)(
z
+
x
)
+
p
)
. Then
q
|
x
, and therefore
q
|
z
,
and also
q
|
p
. On the other hand,
q
=
1, because otherwise both factors on the


316
II Solutions, 8. Diophantine Equations
right-hand side must be perfect squares, yet
(
p
+
1
)(
z
+
x
)
+
p

3
(
mod 4
)
.
Thus
q
=
p
and
p
|
x
as desired.
Now write
x
=
px
1
and
z
=
pz
1
to obtain
x
2
1
=
(
z
1

x
1
)((
p
+
1
)(
z
1
+
x
1
)
+
1
).
By what we showed above, the two terms on the right are coprime and thus
must be perfect squares. Therefore, for some
a
,
b
we have
z
1

x
1
=
a
2
, (
p
+
1
)(
z
1
+
x
1
)
+
1
=
b
2
,
x
1
=
ab
.
The above equality implies
b
2
=
(
p
+
1
)(
a
2
+
2
ab
)
+
1
,
i.e.,
(
p
+
2
)
b
2

(
p
+
1
)(
a
+
b
)
2
=
1
.
Conversely, given
a
and
b
satisfying the last equation, there exists a unique
pair
(
x
1
,
y
1
)
satisfying the equation above, and hence a unique pair
(
x
,
y
)
satisfy-
ing the original equation.
Thus, we reduced the original equation to a “Pell-type” equation. To get some
solutions, look at the odd powers of

p
+
2
+

p
+
1. It follows easily that
(
p
+
2
+
p
+
1
)
2
k
+
1
=
m
k
p
+
2
+
n
k
p
+
1
for some positive integers
m
k
,
n
k
. Then
(
p
+
2

p
+
1
)
2
k
+
1
=
m
k
p
+
2

n
k
p
+
1
,
and multiplying the left and right sides gives
(
p
+
2
)
m
2
k

(
p
+
1
)
n
2
k
=
1
.
Clearly,
n
k
>
m
k
, so setting
b
k
=
m
k
,
a
k
=
n
k

m
k
gives a solution for
(
a
,
b
)
.
Finally, it is easy to see that the sequences
{
m
k
}
,
{
n
k
}
are strictly increasing, so
we obtain infinitely many solutions this way.
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)


8.2. Quadratic Diophantine Equations
317
Solution.
The equation has infinitely many solutions if and only if
a
2

4.
Rewrite the given equation in the form
(
2
x
+
ay
)
2

(
a
2

4
)
y
2
=
4
.
If
a
2
<
4, the real solutions to this equation form an ellipse, and so only
finitely many integer solutions occur. If
a
= ±
2, there are infinitely many solu-
tions, since the equation becomes
(
x
±
y
)
2
=
1. If
a
2
>
4, then
a
2

4 is not a
perfect square, and so the Pell’s equation
u
2

(
a
2

4
)v
2
=
1 has infinitely many
solutions. But setting
x
=
u

a
v
,
y
=
2
v
gives infinitely many solutions of the
given equation.
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)
Solution.
Observe that
(
m

n
)
3
+
(
m
+
n
)
3
=
2
m
3
+
6
mn
2
. Now suppose we
want a general solution of the form
(
x
,
y
,
z
,
t
)
=
a

b
,
a
+
b
,
c
2

d
2
,
c
2
+
d
2
for integers
a
,
b
and odd integers
c
,
d
. One simple solution to the given equation
is
(
x
,
y
,
z
,
t
)
=
(
10
,
10
,

1
,
0
)
, so we try setting
a
=
10 and
c
= −
1. Then
(
x
,
y
,
z
,
t
)
=
10

b
,
10
+
b
,

1
2

d
2
,

1
2
+
d
2
is a solution exactly when
(
2000
+
60
b
2
)

1
+
3
d
2
4
=
1999
,
i.e.,
d
2

80
b
2
=
1
.
The second equation is a Pell’s equation with solution
(
d
1
,
b
1
)
=
(
9
,
1
)
. We
can generate infinitely many more solutions by setting
(
d
n
+
1
,
b
n
+
1
)
=
(
9
d
n
+
80
b
n
,
9
b
n
+
d
n
)
for
n
=
1
,
2
,
3
, . . .
This can be proved by induction, and it follows from a general recursion
(
p
n
+
1
,
q
n
+
1
)
=
(
p
1
p
n
+
q
1
q
n
D
,
p
1
q
n
+
q
1
p
n
)
for generating solutions to
p
2

Dq
2
=
1 given a nontrivial solution
(
p
1
,
q
1
)
.


318

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   108   109   110   111   112   113   114   115   ...   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