Number Theory: Structures, Examples, and Problems


Nonstandard Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet64/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   60   61   62   63   64   65   66   67   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

8.3
Nonstandard Diophantine Equations
8.3.1
Cubic Equations
Problem 8.3.1.
Find all pairs
(
x
,
y
)
of nonnegative integers such that x
3
+
8
x
2

6
x
+
8
=
y
3
.
(1995 German Mathematical Olympiad)
Solution.
Note that for all real
x
,
0
<
5
x
2

9
x
+
7
=
(
x
3
+
8
x
2

6
x
+
8
)

(
x
+
1
)
3
.
Therefore if
(
x
,
y
)
is a solution, we must have
y

x
+
2. In the same vein,
we note that for
x

1,
0
>

x
2

33
x
+
15
=
(
x
3
+
8
x
2

6
x
+
8
)

(
x
3
+
9
x
2
+
27
x
+
27
).
Hence we have either
x
=
0, in which case
y
=
2 is a solution, or
x

1, in
which case we must have
y
=
x
+
2. But this means that
0
=
(
x
3
+
8
x
2

6
x
+
8
)

(
x
3
+
6
x
2
+
12
x
+
8
)
=
2
x
2

18
x
.
Hence the only solutions are
(
0
,
2
), (
9
,
11
)
.
Problem 8.3.2.
Find all pairs
(
x
,
y
)
of integers such that
x
3
=
y
3
+
2
y
2
+
1
.
(1999 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Solution.
When
y
2
+
3
y
>
0,
(
y
+
1
)
3
>
x
3
>
y
3
. Thus we must have
y
2
+
3
y

0, and
y
= −
3,

2,

1, or 0, yielding the solutions
(
x
,
y
)
=
(
1
,
0
)
,
(
1
,

2
)
, and
(

2
,

3
)
.
Problem 8.3.3.
Find all the triples
(
x
,
y
,
z
)
of positive integers such that
x y
+
yz
+
zx

x yz
=
2
.
First solution.
Let
x

y

z
. We consider the following cases:


160
I Fundamentals, 8. Diophantine Equations
(1) For
x
=
1, we obtain
y
+
z
=
2, and then
(
x
,
y
,
z
)
=
(
1
,
1
,
1
).
(2) If
x
=
2, then 2
y
+
2
z

yz
=
2, which gives
(
z

2
)(
y

2
)
=
2.
The solutions are
z
=
4,
y
=
3 and
z
=
3,
y
=
4. Due to the symmetry of the
relations, the solutions
(
x
,
y
,
z
)
are
(
2
,
3
,
4
), (
2
,
4
,
3
), (
3
,
2
,
4
), (
4
,
2
,
3
), (
3
,
4
,
2
), (
4
,
3
,
2
).
(3) If
x

3,
y

3,
z

3, then
x yz

3
yz
,
x yz

3
x z
,
x yz

3
x y
. Thus
x y
+
x z
+
yz

x yz

0, so there are no solutions.
Second solution.
Let
x
=
x

1,
y
=
y

1,
z
=
z

1. The equation is equivalent
to
x
y
z
=
x
+
y
+
z
. If
x
=
0, then
y
=
z
=
0, and we get the solution
(
x
,
y
,
z
)
=
(
1
,
1
,
1
)
for the initial equation. If
x
=
0,
y
=
0, and
x
=
0, then
1
x
y
+
1
y
z
+
1
z
x
=
1
forces one of
x
y
or the other two to be at most 3.
It follows that
(
x
,
y
,
z
)
=
(
1
,
2
,
3
)
and all corresponding permutations and
we get all solutions in case (2).
Problem 8.3.4.
Determine a positive constant c such that the equation
x y
2

y
2

x
+
y
=
c
has exactly three solutions
(
x
,
y
)
in positive integers.
(1999 United Kingdom Mathematical Olympiad)
Solution.
When
y
=
1 the left-hand side is 0. Thus we can rewrite our equation
as
x
=
y
(
y

1
)
+
c
(
y
+
1
)(
y

1
)
.
Note that from the offset equation
y

1
|
c
and writing
c
=
(
y

1
)
d
we
get
x
=
y
+
d
y
+
1
. Hence
d

1
(
mod
y
+
1
)
, and thus
c

y

1
(
mod
y
2

1
)
.
Conversely, any such
c
makes
x
an integer.
Thus we want
c
to satisfy exactly three congruences
c

y

1
(
mod
y
2

1
)
.
Every
c
always satisfies this congruence for
y
=
c
+
1, so we need two others.
The first two nontrivial congruences for
y
=
2
,
3 give
c

1
(
mod 3
)
and
c

2
(
mod 8
)
. Hence
c
=
10 is the least solution to both these congruences and also
works for
y
=
11. It does not satisfy any others, since we would have
y

1
|
10;
hence
y
=
2
,
3
,
6
,
11. We have already seen that 2, 3, 11 all work, but trying
y
=
6 gives
x
=
2
/
7. Thus there are exactly three solutions with
c
=
10, namely
(
x
,
y
)
=
(
4
,
2
)
,
(
2
,
3
)
, and
(
1
,
11
)
.


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
161
Additional Problems
Problem 8.3.5.
Find all triples
(
x
,
y
,
z
)
of natural numbers such that
y
is a prime
number,
y
and 3 do not divide
z
, and
x
3

y
3
=
z
2
.
(1999 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.6.
Find all positive integers
a
,
b
,
c
such that
a
3
+
b
3
+
c
3
=
2001
.
(2001 Junior Balkan Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.7.
Determine all ordered pairs
(
m
,
n
)
of positive integers such that
n
3
+
1
mn

1
is an integer.
(35th International Mathematical Olympiad)
8.3.2
High-Order Polynomial Equations
Problem 8.3.8.
Prove that there are no integers x
,
y
,
z such that
x
4
+
y
4
+
z
4

2
x
2
y
2

2
y
2
z
2

2
z
2
x
2
=
2000
.
Solution.
Suppose by way of contradiction that such numbers exist. Assume with-
out loss of generality that
x
,
y
,
z
are nonnegative integers.
First we prove that the numbers are distinct. For this, consider that
y
=
z
.
Then
x
4

4
x
2
y
2
=
2000; hence
x
is even.
Setting
x
=
2
t
yields
t
2
(
t
2

y
2
)
=
125. It follows that
t
2
=
25 and
y
2
=
20,
a contradiction.
Let now
x
>
y
>
z
. Since
x
4
+
y
4
+
z
4
is even, at least one of the numbers
x
,
y
,
z
is even and the other two have the same parity. Observe that
x
4
+
y
4
+
z
4

2
x
2
y
2

2
y
2
z
2

2
z
2
x
2
=
(
x
2

y
2
)
2

2
(
x
2

y
2
)
z
2
+
z
4

4
y
2
z
2
=
(
x
2

y
2

z
2

2
yz
)(
x
2

y
2

z
2
+
2
yz
)
=
(
x
+
y
+
z
)(
x

y

z
)(
x

y
+
z
)(
x
+
y

z
),
each of the four factors being even. Since 2000
=
16
·
125
=
2
4
·
125, we deduce
that each factor is divisible by 2, but not by 4. Moreover, the factors are distinct:
x
+
y
+
z
>
x
+
y

z
>
x

y
+
z
>
x

y

z
.
The smallest even divisors of 2000 that are not divisible by 4 are 2, 10, 50,
250. But 2
·
10
·
50
·
250
>
2000, a contradiction.


162

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   60   61   62   63   64   65   66   67   ...   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