Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet113/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   109   110   111   112   113   114   115   116   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 8. Diophantine Equations
A quick check also shows that each
d
n
is odd. Thus because there are infinitely
many solutions
(
b
n
,
d
n
)
to the Pell’s equation (and with each
d
n
odd), there are
infinitely many integral solutions
(
x
n
,
y
n
,
z
n
,
t
n
)
=
10

b
n
,
10
+
b
n
,

1
2

d
n
2
,

1
2
+
d
n
2
to the original equation.
8.2.3
Other Quadratic Equations
Problem 8.2.11.
Prove that the equation
x
2
+
y
2
+
z
2
+
3
(
x
+
y
+
z
)
+
5
=
0
has no solutions in rational numbers.
(1997 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
u
=
2
x
+
3,
v
=
2
y
+
3,
w
=
2
z
+
3. Then the given equation is
equivalent to
u
2
+
v
2
+
w
2
=
7
.
It is equivalent to show that the equation
x
2
+
y
2
+
z
2
=
7
w
2
has no nonzero solutions in integers; assume to the contrary that
(
x
,
y
,
z
, w)
is a nonzero solution with
|
w
| + |
x
| + |
y
| + |
z
|
minimal. Modulo 8, we have
x
2
+
y
2
+
z
2

7
w
2
, but every perfect square is congruent to 0, 1, or 4 mod-
ulo 8. Thus we must have
x
,
y
,
z
, w
even, and
(
x
/
2
,
y
/
2
,
z
/
2
, w/
2
)
is a smaller
solution, contradiction.
Remark.
Try to prove the following theorem of Davenport and Cassels:
for n

Z
,
the equation x
2
+
y
2
+
z
2
=
n has rational solutions if and only if it has integer
solutions
. There is a beautiful elementary geometric proof. Try to find it!
Problem 8.2.12.
Find all integers x
,
y
,
z such that
5
x
2

14
y
2
=
11
z
2
.
(2001 Hungarian Mathematical Olympiad)
Solution.
The only solution is
(
0
,
0
,
0
)
.
Assume, for the sake of contradiction, that there is a triple of integers
(
x
,
y
,
z
)
=
(
0
,
0
,
0
)
satisfying the given equation, and let
(
x
,
y
,
z
)
=
(
x
0
,
y
0
,
z
0
)
be a
nonzero solution that minimizes
|
x
| + |
y
| + |
z
|
>
0.
Because 5
x
2
0

14
y
2
0
=
11
z
2
0
, we have

2
x
2
0

4
z
2
0
(
mod 7
),


8.2. Quadratic Diophantine Equations
319
or
x
2
0
≡ −
2
z
2
0

5
z
2
0
(
mod 7
)
. Therefore, we have
z
0

0
(
mod 7
)
, because
otherwise we have
5

(
x
0
z

1
0
)
2
(
mod 7
),
which is impossible because 5 is not a square modulo 7. (The squares modulo 7
are 0, 1, 2, and 4.)
It follows that
x
0
and
z
0
are divisible by 7, so that 14
y
2
=
5
x
2

11
z
2
is
divisible by 49. Therefore, 7
|
y
0
. Then
x
0
7
,
y
0
7
,
z
0
7
is also a solution, but
x
0
7
+
y
0
7
+
z
0
7
<
|
x
0
| + |
y
0
| + |
z
0
|
, contradicting the minimality of
(
x
0
,
y
0
,
z
0
)
.
Therefore, our original assumption was false, and the only integer solution is
(
0
,
0
,
0
)
.
Remark.
A solution mod 8 also works. If
x
or
z
is even, then so is the other, and
hence
y
is even. Thus we can cancel a 2 and get a smaller solution. Suppose we
have a solution with
x
and
z
odd; then we get 5

(
0 or 6
)

3
(
mod 8
)
, which
cannot occur.
Problem 8.2.13.
Let n be a nonnegative integer. Find the nonnegative integers
a
,
b
,
c
,
d such that
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
7
·
4
n
.
(2001 Romanian JBMO Team Selection Test)
Solution.
For
n
=
0, we have 2
2
+
1
2
+
1
2
+
1
2
=
7; hence
(
a
,
b
,
c
,
d
)
=
(
2
,
1
,
1
,
1
)
and all permutations. If
n

1, then
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2

0
(
mod 4
)
;
hence the numbers have the same parity. We analyze two cases.
(a) The numbers
a
,
b
,
c
,
d
are odd. We write
a
=
2
a
+
1, etc. We obtain
4
a
(
a
+
1
)
+
4
b
(
b
+
1
)
+
4
c
(
c
+
1
)
+
4
d
(
d
+
1
)
=
4
(
7
·
4
n

1

1
).
The left-hand side of the equality is divisible by 8; hence 7
·
4
n

1

1 must be
even. This happens only for
n
=
1. We obtain
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
28, with the
solutions
(
3
,
3
,
3
,
1
)
and
(
1
,
1
,
1
,
5
)
.
(b) The numbers
a
,
b
,
c
,
d
are even. Write
a
=
2
a
, etc. We obtain
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
7
·
4
n

1
,
so we proceed recursively.
Finally, we obtain the solutions
(
2
n
+
1
,
2
n
,
2
n
,
2
n
)
,
(
3
·
2
n

1
,
3
·
2
n

1
,
3
·
2
n

1
,
2
n

1
)
,
(
2
n

1
,
2
n

1
,
2
n

1
,
5
·
2
n

1
)
, and the respective permutations.
Problem 8.2.14.
Prove that the equation
x
2
+
y
2
+
z
2
+
t
2
=
2
2004
,
where
0

x

y

x

t, has exactly two solutions in the set of integers.
(2004 Romanian Mathematical Olympiad)


320
II Solutions, 8. Diophantine Equations
Solution.
The solutions are
(
0
,
0
,
0
,
2
1002
)
and
(
2
1001
,
2
1001
,
2
1001
,
2
1001
)
.
In order to prove the statement, let
(
x
,
y
,
z
,
t
)
be a solution. Observe that for
odd
a
we have
a
=
4
n
±
1, and
a
2
gives the remainder 1 when divided by 8.
Since the right-hand side is 0
(
mod 8
)
, the equation has no solution with an odd
component.
We thus must have
x
=
2
x
1
,
y
=
2
y
1
,
z
=
2
z
1
,
t
=
2
t
1
, where 0

x
1

y
1

z
1

t
1
are integers and
x
2
1
+
y
2
1
+
z
2
1
+
t
2
1
=
2
2002
. By the same argument,
x
1
=
2
x
2
,
y
1
=
2
y
2
,
z
1
=
2
z
2
,
t
1
=
2
t
2
, where 0

x
2

y
2

z
2

t
2
are
integers and
x
2
2
+
y
2
2
+
z
2
2
+
t
2
2
=
2
2000
.
We can proceed recursively as long as the right-hand side is zero mod 8. Even-
tually we will arrive at
x
=
2
2001
a
,
y
=
2
2001
b
,
z
=
2
2001
c
,
t
=
2
2001
d
, where
0

a

b

c

d
are integers and
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
4. The only solutions
to this are
(
1
,
1
,
1
,
1
)
and
(
0
,
0
,
0
,
2
)
and the conclusion follows.
Problem 8.2.15.
Let n be a positive integer. Prove that the equation
x
+
y
+
1
x
+
1
y
=
3
n
does not have solutions in positive rational numbers.
Solution.
Suppose
x
=
a
b
,
y
=
c
d
satisfies the given equation, where gcd
(
a
,
b
)
=
gcd
(
c
,
d
)
=
1. Clearing denominators,
(
a
2
+
b
2
)
cd
+
(
c
2
+
d
2
)
ab
=
3
nabcd
.
Thus,
ab
|
(
a
2
+
b
2
)
cd
and
cd
|
(
c
2
+
d
2
)
ab
. Now gcd
(
a
,
b
)
=
1 implies
gcd
(
a
,
a
2
+
b
2
)
=
gcd
(
a
,
b
2
)
=
1, so
ab
|
cd
; likewise,
cd
|
ab
, and together
these give
ab
=
cd
. Thus,
a
2
+
b
2
+
c
2
+
d
2
=
3
nab
.
Now each square on the left is congruent to either 0 or 1 modulo 3. Hence,
either all terms are divisible by 3 or exactly one is. The first case is impossible by
the assumption gcd
(
a
,
b
)
=
gcd
(
c
,
d
)
=
1, and the second is impossible because
ab
=
cd
.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   109   110   111   112   113   114   115   116   ...   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