Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 8. Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet115/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   111   112   113   114   115   116   117   118   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 8. Diophantine Equations
Solution.
We consider the equation mod 11. Since
(
x
5
)
2
=
x
10

0 or 1
(
mod 11
)
for all
x
, we have
x
5
≡ −
1, 0, or 1
(
mod 11
)
, so the right-hand side is either 6,
7, or 8 modulo 11. However, all squares are 0, 1, 3, 4, 5, or 9 modulo 11, so the
equation
y
2
=
x
5

4 has no integer solutions.
Problem 8.3.14.
Let m
,
n
>
1
be integers. Solve in positive integers the equation
x
n
+
y
n
=
2
m
.
(2003 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
d
=
gcd
(
x
,
y
)
and
x
=
da
,
y
=
db
, where
(
a
,
b
)
=
1. it is easy to
see that
a
and
b
are both odd numbers and
a
n
+
b
n
=
2
k
, for some integer
k
.
Suppose that
n
is even. Since
a
2

b
2

1
(
mod 8
)
, we have also
a
n

b
n

1
(
mod 8
)
. Since 2
k
=
a
n
+
b
n

2
(
mod 8
)
, we conclude that
k
=
1 and
a
=
b
=
1, and thus
x
=
y
=
d
. The equation becomes
x
n
=
2
m

1
, and it has an
integer solution if and only if
n
is a divisor of
m

1 and
x
=
y
=
2
m

1
n
.
Consider the case that
n
is odd. From the decomposition
a
n
+
b
n
=
(
a
+
b
)(
a
n

1

a
n

2
b
+
a
n

3
b
2
− · · · +
b
n

1
),
we easily get
a
+
b
=
2
k
=
a
n
+
b
n
, since the second factor above is odd. In this
case
a
=
b
=
1, and the proof goes along the lines of the previous case.
To conclude, the given equations have solutions if and only if
m

1
n
is an inte-
ger, and in this case
x
=
y
=
2
m

1
n
.
Problem 8.3.15.
For a given positive integer m, find all pairs
(
n
,
x
,
y
)
of positive
integers such that m
,
n are relatively prime and
(
x
2
+
y
2
)
m
=
(
x y
)
n
, where n
,
x
,
y
can be represented in terms of m.
(1995 Korean Mathematical Olympiad)
Solution.
If
(
n
,
x
,
y
)
is a solution, then the AM–GM inequality yields
(
x y
)
n
=
(
x
2
+
y
2
)
m

(
2
x y
)
m
> (
x y
)
m
,
so
n
>
m
. Let
p
be a common prime divisor of
x
and
y
and let
p
a
x
,
p
b
y
.
Then
p
(
a
+
b
)
n
(
x y
)
n
=
(
x
2
+
y
2
)
m
. Suppose
b
>
a
. Since
p
2
a
x
2
,
p
2
b
y
2
, we
see that
p
2
a
x
2
+
y
2
and
p
2
am
(
x
2
+
y
2
)
m
. Thus 2
am
=
(
a
+
b
)
n
>
2
an
and
m
>
n
, a contradiction. Likewise,
a
>
b
produces a contradiction, so we must
have
a
=
b
and
x
=
y
. This quickly leads to
x
=
2
t
for some integer
t
, and all
solutions are of the form
(
n
,
x
,
y
)
=
(
2
t
+
1
,
2
t
,
2
t
)
for nonnegative integers
t
. Substituting into the equation, we conclude that there
is a solution only if
m
is even, and then
t
=
m
2
.


8.3. Nonstandard Diophantine Equations
325
8.3.3
Exponential Diophantine Equations
Problem 8.3.19.
Determine all triples
(
x
,
k
,
n
)
of positive integers such that
3
k

1
=
x
n
.
(1999 Italian Mathematical Olympiad)
Solution.
All triples of the form
(
3
k

1
,
k
,
1
)
for positive integers
k
, and
(
2
,
2
,
3
)
.
The solutions when
n
=
1 are obvious. Now,
n
cannot be even because then 3
could not divide 3
k
=
(
x
n
2
)
2
+
1 (because no square is congruent to 2 modulo 3).
Also, we must have
x
=
1.
Assume that
n
>
1 is odd and
x

2. Then 3
k
=
(
x
+
1
)
"
n

1
i
=
0
(

x
)
i
,
implying that both
x
+
1 and
"
n

1
i
=
0
(

x
)
i
are powers of 3. Because
x
+
1

x
2

x
+
1

"
n

1
i
=
0
(

x
)
i
, we must have 0

"
n

1
i
=
0
(

x
)
i

n
(
mod
x
+
1
)
,
so that
x
+
1
|
n
. Specifically, this means that 3
|
n
.
Write
x
=
x
n
/
3
, then we have 3
k

1
=
(
x
)
3
. Thus repeating the argument
of the previous paragraph, now with
n
=
3, shows
x
+
1
|
3. Hence
x
=
2 and
therefore
x
=
2 and
n
=
3.
Remark.
In fact, 8 and 9 are the only consecutive powers (other than the trivial
0, 1), as recently proved.
Problem 8.3.20.
Find all pairs of nonnegative integers x and y that satisfy the
equation
p
x

y
p
=
1
,
where p is a given odd prime.
(1995 Czech–Slovak Match)
Solution.
If
(
x
,
y
)
is a solution, then
p
x
=
y
p
+
1
=
(
y
+
1
)(
y
p

1
− · · · +
y
2

y
+
1
),
and so
y
+
1
=
p
n
for some
n
. If
n
=
0, then
x
=
y
=
0 and
p
may be arbitrary.
Otherwise,
p
x
=
(
p
n

1
)
p
+
1
=
p
np

p
·
p
n
(
p

1
)
+
p
2
p
n
(
p

2
)
+ · · · −
p
p

2
p
2
n
+
p
·
p
n
.
Since
p
is a prime, all of the binomial coefficients are divisible by
p
. Hence
all terms are divisible by
p
n
+
1
, and all but the last by
p
n
+
2
. Therefore the highest
power of
p
dividing the right side is
p
n
+
1
, and so
x
=
n
+
1. We also have
0
=
p
np

p
·
p
n
(
p

1
)
+
p
2
p
n
(
p

2
)
+ · · · −
p
p

2
p
2
n
.


326
II Solutions, 8. Diophantine Equations
For
p
=
3 this reads 0
=
3
3
n

3
·
3
2
n
, which occurs only for
n
=
1, yielding
x
=
y
=
2. For
p

5, the coefficient
p
p

2
is not divisible by
p
2
, so every term
but the last on the right side is divisible by
p
2
n
+
2
, while the last term is not. Since
the terms sum to 0, this is impossible.
Hence the only solutions are
x
=
y
=
0 for all
p
and
x
=
y
=
2 for
p
=
3.
Problem 8.3.21.
Let x
,
y
,
z be integers with z
>
1
. Show that
(
x
+
1
)
2
+
(
x
+
2
)
2
+ · · · +
(
x
+
99
)
2
=
y
z
.
(1998 Hungarian Mathematical Olympiad)
Solution.
Suppose, to the contrary, that there are integers
x
,
y
,
z
such that
z
>
1,
and
(
x
+
1
)
2
+
(
x
+
2
)
2
+ · · · +
(
x
+
99
)
2
=
y
z
.
We notice that
y
z
=
(
x
+
1
)
2
+
(
x
+
2
)
2
+ · · · +
(
x
+
99
)
2
=
99
x
2
+
2
(
1
+
2
+ · · · +
99
)
x
+
(
1
2
+
2
2
+ · · · +
99
2
)
=
99
x
2
+
2
·
99
·
100
2
x
+
99
·
100
·
199
6
=
33
(
3
x
2
+
300
x
+
50
·
199
),
which implies that 3
|
y
. Since
z

2, 3
2
|
y
z
, but 3
2
does not divide 33
(
3
x
2
+
300
x
+
50
·
199
)
, we have a contradiction. So our assumption in fact must be false,
and the original statement in the problem is correct.
Problem 8.3.22.
Determine all solutions
(
x
,
y
,
z
)
of positive integers such that
(
x
+
1
)
y
+
1
+
1
=
(
x
+
2
)
z
+
1
.
(1999 Taiwanese Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
a
=
x
+
1,
b
=
y
+
1,
c
=
z
+
1. Then
a
,
b
,
c

2 and
a
b
+
1
=
(
a
+
1
)
c
,
((
a
+
1
)

1
)
b
+
1
=
(
a
+
1
)
c
.
Taking the equations mod
(
a
+
1
)
yields
(

1
)
b
+
1

0, so
b
is odd.
Taking the second equation mod
(
a
+
1
)
2
after applying the binomial expan-
sion yields
b
1
(
a
+
1
)(

1
)
b

1
+
(

1
)
b
+
1

0
(
mod
(
a
+
1
)
2
),



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   111   112   113   114   115   116   117   118   ...   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