Number Theory: Structures, Examples, and Problems


Nonstandard Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet114/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   110   111   112   113   114   115   116   117   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

8.3
Nonstandard Diophantine Equations
8.3.1
Cubic Equations
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)


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
321
Solution.
We rewrite the equation in the form
(
x

y
)(
x
2
+
x y
+
y
2
)
=
z
2
.
Any common divisor of
x

y
and
x
2
+
x y
+
y
2
also divides both
z
2
and
(
x
2
+
x y
+
y
2
)

(
x
+
2
y
)(
x

y
)
=
3
y
2
. Because
z
2
and 3
y
2
are relatively
prime by assumption,
x

y
and
x
2
+
x y
+
y
2
must be relatively prime as well.
Therefore, both
x

y
and
x
2
+
x y
+
y
2
are perfect squares.
Writing
a
=

x

y
, we have
x
2
+
x y
+
y
2
=
(
a
2
+
y
)
2
+
(
a
2
+
y
)
y
+
y
2
=
a
4
+
3
a
2
y
+
3
y
2
and
4
(
x
2
+
x y
+
y
2
)
=
(
2
a
2
+
3
y
)
2
+
3
y
2
.
Writing
m
=
2
x
2
+
x y
+
y
2
and
n
=
2
a
2
+
3
y
, we have
m
2
=
n
2
+
3
y
2
,
or
(
m

n
)(
m
+
n
)
=
3
y
2
,
so
(
m

n
,
m
+
n
)
=
(
1
,
3
y
2
)
,
(
y
,
3
y
)
, or
(
3
,
y
2
)
.
In the first case, 2
n
=
3
y
2

1 and 4
a
2
=
2
n

6
y
=
3
y
2

6
y

1. Hence,
a
2

2
(
mod 3
)
, which is impossible.
In the second case,
n
=
y
<
2
a
2
+
3
y
=
n
, a contradiction.
In the third case, write 4
a
2
=
2
n

6
y
=
y
2

6
y

3 as 4
a
2
=
(
y

3
)
2

12,
and so 12
=
(
y

3
)
2

a
2
=
(
y

a

3
)(
y
+
a

3
)
. Since these factors are
congruent mod 2, we must have
y

a

3
=
2 and
y
+
a
+
3
=
6, so
a
=
1,
y
=
7. This yields the unique solution
(
x
,
y
,
z
)
=
(
8
,
7
,
13
)
.
Problem 8.3.6.
Find all the positive integers a
,
b
,
c such that
a
3
+
b
3
+
c
3
=
2001
.
(2001 Junior Balkan Mathematical Olympiad)
Solution.
Assume without loss of generality that
a

b

c
.
It is obvious that 1
3
+
10
3
+
10
3
=
2001. We prove that
(
1
,
10
,
10
)
is the only
solution of the equation, except for its permutations.
We start by proving a useful lemma:
Lemma.
Suppose n is an integer. The remainder of n
3
when divided by
9
is
0
,
1
,
or

1
.
Indeed, if
n
=
3
k
, then 9
|
n
3
, and if
n
=
3
k
±
1, then
n
3
=
27
k
3
±
27
k
2
+
9
k
±
1
=
M
9
±
1.


322
II Solutions, 8. Diophantine Equations
Since 2001
=
9
·
222
+
3
=
M
9
+
3, then
a
3
+
b
3
+
c
3
=
2001 implies
a
3
=
M
9
+
1,
b
3
=
M
9
+
1 and
c
3
=
M
9
+
1; hence
a
,
b
,
c
are numbers of the
form
M
3
+
1. We search for
a
,
b
,
c
in the set
{
1
,
4
,
7
,
10
,
13
, . . .
}
.
If
c

13 then
c
3

2197
>
2001
=
a
3
+
b
3
+
c
3
, which is false. If
c

7
then 2001
=
a
3
+
b
3
+
c
3

3
·
343, which again is false. Hence
c
=
10 and
consequently
a
3
+
b
3
=
1001. If
b
<
c
=
10 then
a

b

7 and 1001
=
a
3
+
b
3

2
·
7
3
=
2
·
343, a contradiction. Thus
b
=
10 and
a
=
1.
Therefore
(
a
,
b
,
c
)
∈ {
(
1
,
10
,
10
), (
10
,
1
,
10
), (
10
,
10
,
1
)
}
.
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)
First solution.
Let
n
3
+
1
mn

1
=
k
,
k
a positive integer.
From
n
3
+
1
=
k
(
mn

1
)
, one obtains
k
+
1
=
n
(
km

n
2
)
. Thus,
n
divides
k
+
1 and by noting
km

n
2
=
q
one has
k
=
nq

1. Using this form of
k
we
have
n
3
+
1
=
(
nq

1
)(
mn

1
)

n
(
mq

n
)
=
m
+
q
.
Since
m
+
q
>
0, it follows that
x
=
mq

n
>
0. Thus we have the system
xn
=
m
+
q
,
x
+
n
=
mq
.
By adding these equations we obtain
xn
+
mq
=
x
+
n
+
m
+
q

xn
+
mq

x

n

m

q
+
2
=
2

(
x

1
)(
n

1
)
+
(
m

1
)(
q

1
)
=
2
.
The equation
(
x

1
)(
n

1
)
+
(
m

1
)(
q

1
)
=
2
has only a finite number of positive integer solutions. These are listed below:
(1)
x
=
1
,
m

1
=
2
,
q

1
=
1

x
=
1
,
m
=
3
,
q
=
2

m
=
3,
n
=
5.
(2)
x
=
1
,
m

1
=
1
,
q

1
=
2

m
=
2
,
n
=
5.
(3)
n
=
1
,
m

1
=
2
,
q

1
=
1

n
=
1
,
m
=
3.


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
323
(4)
n
=
1
,
m

1
=
1
,
q

1
=
2

n
=
1
,
m
=
2.
(5)
m
=
1
,
x

1
=
2
,
n

1
=
1

m
=
1
,
n
=
2.
(6)
m
=
1
,
x

1
=
1
,
n

1
=
2

m
=
1
,
n
=
3.
(7)
q
=
1
,
x

1
=
1
,
n

1
=
2

n
=
3
,
m
=
5.
(8)
q
=
1
,
x

1
=
2
,
n

1
=
1

n
=
2
,
m
=
5.
(9)
x

1
=
n

1
=
m

1
=
q

1
=
1

m
=
n
=
2.
Thus, we have obtained the following nine pairs
(
m
,
n
)
:
(
5
,
3
), (
3
,
5
), (
5
,
2
)
,
(
2
,
5
)
,
(
3
,
1
), (
1
,
3
), (
2
,
1
), (
1
,
2
), (
2
,
2
)
. All pairs are solutions of the problem.
Second solution.
Note that
(
m
,
n
)
is a solution if and only if
m
2
n
2
+
mn
+
1
+
n
3
+
1
mn

1
=
n
3
(
m
3
+
1
)
mn

1
is an integer. Since gcd
(
n
,
mn

1
)
=
1, this occurs if and only if
m
3
+
1
mn

1
is a
solution. That is,
(
m
,
n
)
is a solution if and only if
(
n
,
m
)
is a solution. Suppose
(
m
,
n
)
is a solution and
mn
>
1; then defining
q
as in the current solution, we
see
(
q
,
n
)
is a solution. Further, since
(
n
2

1
)
2

n
3
+
1 for
n

2, we see that
q
<
n
. Similarly, if
m
=
n
>
2, we get
q
<
n
. Thus following the steps
(i) If
m
<
n
, interchange
m
and
n
,
(ii) If
m
>
n
>
1 or
m
=
n
>
2, replace
(
m
,
n
)
by
(
q
,
n
)
,
starting from any solution we can always reduce to a smaller solution until we
get to either
m
=
n
=
2 or
n
=
1. In the latter case we have
m
=
2 or 3.
Backtracking gives the chains of solutions
(
3
,
5
(

(
5
,
3
)

(
1
,
3
)

(
3
,
1
)
,
(
2
,
5
)

(
5
,
2
)

(
1
,
2
)

(
2
,
1
)
and the single solution
(
2
,
2
)
. Thus these nine
pairs are all solutions to the problem.
8.3.2
High-Order Polynomial Equations
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
.
Solution.
Notice that
z
5

z
(
mod 5
)
; hence
x
+
y
+
1

(
x
+
2
)
+
(
y

3
)
(
mod 5
)
, impossible.
Problem 8.3.13.
Prove that the equation y
2
=
x
5

4
has no integer solutions.
(1998 Balkan Mathematical Olympiad)


324

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   110   111   112   113   114   115   116   117   ...   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