Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet111/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   107   108   109   110   111   112   113   114   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

8
Diophantine Equations
8.1
Linear Diophantine Equations
Problem 8.1.4.
Solve in integers the equation
(
x
2
+
1
)(
y
2
+
1
)
+
2
(
x

y
)(
1

x y
)
=
4
(
1
+
x y
).
Solution.
The equation is equivalent to
x
2
y
2

2
x y
+
1
+
x
2
+
y
2

2
x y
+
2
(
x

y
)(
1

x y
)
=
4
,
or
(
x y

1
)
2
+
(
x

y
)
2
+
2
(
x

y
)(
1

x y
)
=
4
.
Hence
(
1

x y
+
x

y
)
2
=
4, and consequently,
|
(
1
+
x
)(
1

y
)
| =
2.
We have two cases:
(i)
|
x
+
1
| =
1 and
|
y

1
| =
2, giving
(
0
,
3
)
,
(
0
,

1
)
,
(

2
,
3
)
and
(

2
,

1
)
,
and
(ii)
|
x
+
1
| =
2 and
|
y

1
| =
1, giving
(
1
,
2
)
,
(
1
,
0
)
,
(

3
,
2
)
and
(

3
,
0
)
.
Problem 8.1.5.
Determine the side lengths of a right triangle if they are integers
and the product of the legs’ lengths equals three times the perimeter.
(1999 Romanian Mathematical Olympiad)
First solution.
Let
a
,
b
,
c
be the lengths of the triangle’s sides. We have
a
2
=
b
2
+
c
2
and
bc
=
3
(
a
+
b
+
c
).
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_19, 
311


312
II Solutions, 8. Diophantine Equations
Let
P
=
a
+
b
+
c
. Then
bc
=
3
P
and
b
2
+
c
2
=
(
b
+
c
)
2

2
bc
=
(
P

a
)
2

6
P
=
P
2
+
a
2

2
a P

6
P
.
It follows that
a
2
=
P
2
+
a
2

2
a P

6
P
,
so
P
=
2
a
+
6
,
that is,
a
=
b
+
c

6
.
We have then
b
2
+
c
2
=
b
2
+
c
2
+
2
bc

12
b

12
c
+
36
if and only if
bc

6
b

6
c
+
18
=
0
,
that is,
(
b

6
)(
c

6
)
=
18
.
Analyzing the ways in which 18 can be written as a product of integers, we
find the following solutions:
(
a
,
b
,
c
)
∈{
(
25
,
7
,
24
),(
25
,
24
,
7
),(
17
,
8
,
15
),(
17
,
15
,
8
),(
15
,
9
,
12
),(
15
,
12
,
9
)
}
.
Second solution.
From
bc
=
3
(
a
+
b
+
c
)
, we get
bc

3
b

3
c
=
3
a
and square
to get
(
bc

3
b

3
c
)
2
=
9
a
2
=
9
(
b
2
+
c
2
)
. From there multiplying out gives
bc
[
(
b

6
)(
c

6
)

18
] =
0. Since
bc
=
0, we get
(
b

6
)(
c

6
)
=
18, and
enumerating the factors of 18 gives the list of solutions.
Problem 8.1.6.
Let a
,
b, and c be positive integers, each two of them being rel-
atively prime. Show that
2
abc

ab

bc

ca is the largest integer that cannot
be expressed in the form xbc
+
yca
+
zab, where x
,
y, and z are nonnegative
integers.
(24th International Mathematical Olympiad)
Solution.
We will solve the problem in two steps.
First step.
The number 2
abc

ab

bc

ca
cannot be expressed in the required
form. Assume the contrary, that
2
abc

ab

bc

ca
=
xbc
+
yca
+
zab
,
where
x
,
y
,
z

0. Then, one obtains the combination
2
abc
=
bc
(
x
+
1
)
+
ca
(
y
+
1
)
+
ab
(
z
+
1
),


8.2. Quadratic Diophantine Equations
313
where
x
+
1
>
0,
y
+
1
>
0,
z
+
1
>
0. This leads to the divisibility
a
|
bc
(
x
+
1
)
.
Since
a
is relatively prime to
b
and
c
,
a
divides
x
+
1 and then
a

x
+
1.
Using similar arguments,
b

y
+
1 and
c

z
+
1. Thus, 2
abc
=
bc
(
x
+
1
)
+
ca
(
y
+
1
)
+
ab
(
z
+
1
)

3
abc
. This is a contradiction.
Second step.
Any number
N
,
N
>
2
abc

ab

bc

ca
, can be expressed in
the form
N
=
xbc
+
yca
+
zab
.
Since gcd
(
ab
,
bc
,
ca
)
=
1, by Theorem 8.1.1 we can write
N
=
abx
+
bcy
+
caz
for some integers
x
,
y
,
z
. If
(
x
,
y
,
z
)
is one solution, then so is
(
x
±
c
,
y

a
,
z
)
.
Hence we may assume 0

x

c

1. Similarly, if
(
x
,
y
±
a
,
z

b
)
is a solution,
so we may assume 0

y

a

1. But then
z
=
1
ac
[
N

abx

bcy
]
>
1
ac
[
2
abc

ab

bc

ca

ab
(
c

1
)

bc
(
b

1
)
] = −
1
.
Thus
z
is again a nonnegative integer and we are done.
Remark.
One can prove that if
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
k

Z
are positive integers such that
gcd
(
a
1
, . . . ,
a
k
)
=
1, then any sufficiently large
n
is a linear combination with
nonnegative coefficients of
a
1
, . . . ,
a
k
. The smallest such
n
for
k

4 is unknown.
This is the famous problem of Frobenius.
8.2
Quadratic Diophantine Equations
8.2.1
Pythagorean Equations
Problem 8.2.3.
Find all Pythagorean triangles whose areas are numerically equal
to their perimeters.
First solution.
From (3), the side lengths of such a triangle are
k
(
m
2

n
2
),
2
kmn
,
k
(
m
2
+
n
2
).
The condition in the problem is equivalent to
k
2
mn
(
m
2

n
2
)
=
2
km
(
m
+
n
),
which reduces to
kn
(
m

n
)
=
2
.
A simple case analysis shows that the only possible triples
(
k
,
m
,
n
)
are
(
2
,
2
,
1
)
,
(
1
,
3
,
2
)
,
(
1
,
3
,
1
)
, yielding the Pythagorean triangles 6

8

10 and
5

12

13.
Second solution.
This solution does not use Theorem 8.2.1, and it is similar to
the solution of Problem 8.1.5. Rewrite the equation
a
+
b
+
c
=
ab
/
2 as 2
c
=
ab

2
a

2
b
and square to get 4
(
a
2
+
b
2
)
=
4
c
2
=
(
ab

2
a

2
b
)
2
and rearrange
to get
ab
[
(
a

4
)(
b

4
)

8
] =
0. Then the solutions follow from the factors of 8.


314
II Solutions, 8. Diophantine Equations
Problem 8.2.4.
Prove that for every positive integer n there is a positive integer k
such that k appears in exactly n nontrivial Pythagorean triples.
(American Mathematical Monthly)
First solution.
We will prove by induction that 2
n
+
1
appears in exactly
n
Pythag-
orean triples. The base case
n
=
1 holds for
(
3
,
2
2
,
5
)
, and that is the only such
triple. Assume that
(
x
k
,
y
k
,
z
k
)
, where
x
k
=
u
2
k

v
2
k
,
y
k
=
2
u
k
v
k
,
z
k
=
u
2
k
+
v
2
k
,
k
=
1
, . . . ,
n
, are the
n
triples containing 2
n
+
1
. Then
(
2
x
k
,
2
y
k
,
2
z
k
)
,
k
=
1
, . . . ,
n
, are
n
imprimitive Pythagorean triples containing 2
n
+
2
, and
(
2
2
n
+
2

1
,
2
n
+
2
, 2
2
n
+
2
+
1
)
is the only such primitive triple.
No other triple with this property exists. Indeed, if
(
u
2

v
2
,
2
u
v,
u
2
+
v
2
)
were a triple containing 2
n
+
2
, then we would have the following cases:
(i)
u
2
+
v
2
=
2
n
+
2
. Simplifying by the greatest possible power of 2, we get
a
2
+
b
2
=
2
k
, where
a
and
b
are not both even. Then the left-hand side is congruent
to 1 or 2
(
mod 4
)
, while the right-hand side is 0
(
mod 4
)
, a contradiction.
(ii) 2
u
v
=
2
n
+
2
. We simplify again by the greatest power of 2 and obtain
ab
=
2
s
, where
a
>
b
are not both even and
s

1. It follows that
a
=
2
s
and
b
=
1, yielding the triple generated by
(
2
2
s

1
,
2
s
+
1
,
2
2
s
+
1
)
multiplied by a
power of 2, which is clearly among the imprimitive triples
(
2
x
k
,
2
y
k
,
2
z
k
)
.
(iii)
u
2

v
2
=
2
n
+
2
. Simplifying again by the greatest power of 2, we arrive at
a
2

b
2
=
2
t
, where
a
and
b
are not both even and
t

3. If one of
a
and
b
is even,
then the left-hand side is odd, while the right-hand side is even, a contradiction.
If
a
and
b
are both odd, then
a

b
=
2 and
a
+
b
=
2
t

1
, yielding
a

2
t

2
and
b
=
2
t

2

1. Again, we get a triple generated by
(
2
t
,
2
(
2
2
t

4

1
),
2
(
2
2
t

4
+
1
))
multiplied by a power of 2, which is clearly already an imprimitive triple of the
form
(
2
x
k
,
2
y
k
,
2
z
k
)
.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   107   108   109   110   111   112   113   114   ...   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