Три задачи по теории чисел
Задача 1
Утверждение 1
Пусть р1
, р2
и р3
являются ненулевыми рациональными числами, причем р1
+ р2
= р3.
Тогда произведение р1
* р2
* р3
не является точным кубом никакого (отличного от нуля) рационального числа, то есть р1
* р2
* р3
≠ R3
, где R – некоторое рациональное число (R ≠ 0).
Доказательство
Положим
и
Очевидно, что а (а≠0) и b - рациональные числа, так как рациональными являются числа р1
и р2
.
(Если а=0, т.е. р1
= - р2
,
то
р1
+ р2
= р3
= 0, что противоречит нашему утверждению (р3
0).
Если b=0, т.е. р1
= р2
,
то
р3
= 2 р1
р1
* р2
* р3
= р1
* р1
* 2р1
=2р, т.е. р1
* р2
* р3
= 2р≠ R3
и противоречие с нашим утверждением отсутствует.)
Тогда имеем:
Теперь нетрудно выразить старые переменные через новые:
(1)
Таким образом, замена р1
и р2
на a и b является обратимой (число Р3
в обоих случаях является зависимой переменной).
Предположим теперь, что Утверждение 1 неверно, и число является точным кубом (R3
) некоторого рационального числа R (R ≠ 0) .
Обозначим (2), где r0, т.к. при r = 0 либо р1
=0, либо р2
=0, либо р3
=0.
где q0 (пояснение ниже).
Числа r и q являются рациональными числами, если рациональны числа a и b. Далее имеем:
Пояснение
При q=0 , где r0
0 - рациональное число (т.к. r0).
Из (2) следует , откуда R не является рациональным числом, что противоречит условию. Следовательно, q0.
Отсюда число является кубом некоторого ненулевого рационального числа , обозначим это число через (3), где С0 (С > 0).
Обозначим: , тогда:
(с учетом (2) и (3)) (4)
Так как r, q – рациональные числа, то и числа A, B, (CR) -также рациональны числа.
Но тогда они будут рациональными решениями уравнения Ферма 3й
степени, которое, как хорошо известно, неразрешимо в рациональных числах. Полученное противоречие доказывает наше утверждение.
Примечание. А если А = 0, или В = 0? Ведь в этом случае могут, наверно, появиться и ненулевые рациональные числа р1
, р2
, р3,
R, удовлетворяющие условию нашего Утверждения! Покажем, что они не появятся.
Если В = r – q = 0, то r = q.
Отсюда, учитывая
имеем ) = 0
откуда следует не только из
r = q (что ожидаемо), но и r = 0 r = q = 0 R=0, что противоречит условию нашего «Утверждения», ч.т.д.
Для А = r + q = 0 рассуждения аналогичные.
Теперь сформулируем некоторое обобщение нашего Утверждения 1 на рациональные функции. Напомним, что рациональной функцией называется выражение вида , где p(x) и q(x) – некоторые многочлены. Заметим, что и многочлены и даже числа являются частным случаем рациональных функций при соответствующем выборе коэффициентов многочленов p(x) и q(x).
Утверждение 2
Пусть являются рациональными функциями с рациональными коэффициентами, причём для всех x. Тогда функция ни в одной рациональной точке x не является кубом никакого (отличного от нуля) рационального числа, то есть либо , где R – рациональное число (R ≠ 0); либо , где R(x) – рациональная функция, которая при каждом фиксированном рациональном x является рациональным числом.
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x мы получаем утверждение для рациональных чисел, которое сформулировано в предыдущем Утверждении 1, что и требовалось доказать.
Утверждение 3
Пусть являются рациональными функциями с рациональными коэффициентами от нескольких переменных x, y, z,…, причем для всех x, y, z,….
Тогда функция ни в одной из рациональных точек x, y, z,… не является кубом никакого (отличного от нуля) рационального числа, то есть либо:
где R - рациональное число (R ≠ 0);
либо
где R(x,y,z,…) – рациональная функция, которая при каждом фиксированном рациональном x, y, z,… является рациональным числом.
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x, y, z,… мы получаем утверждение для рациональных чисел, то есть Утверждение 1, что и требовалось доказать.
Где и как можно использовать вышеприведенные утверждения?
Для анализа неразрешимости некоторых уравнений в рациональных числах практически по внешнему виду.
Примеры:
1. - куб рациональной функции R(x) = 3x2
, которая при рациональном x является рациональным числом. Следовательно, уравнение неразрешимо в рациональных числах.
2. - куб рациональной функции R(x) = неразрешимо в рациональных числах.
3. - куб рационального числа 3, отсюда неразрешимо в рациональных числах
4. - куб рациональной функции R(x,y) = не разрешимо в рациональных числах
5. - куб рациональной функции R(x) = х37
=> уравнение не разрешимо в рациональных числах.
Следовательно, система уравнений неразрешима в ненулевых рациональных числах x, y, z , где R – рациональное число (R≠0).
Задача 2
Утверждение 1
Пусть р1
, р2
, р3
и р4
являются рациональными ненулевыми числами, причем (1). Тогда произведение не может равным ни , то есть не может выполняться соотношение
(2)
где = 1;2;3;4 и если - рациональное число.
Доказательство
Положим . Очевидно, x, y и z – это рациональные ненулевые числа, так как рациональными ненулевыми числами являются р1
, р2
, р3
. Так как р1
, р2
, р3
в (1) и (2) равноправны, то за в (2) мы можем принять любое из них, т.е. = 1;2;3. Пусть для определенности (3), тогда р4
на основании (1) принимает вид:
(4)
Таким образом, замена р1
, р2
, р3
на x, y и z является обратимой (число р4
в обоих случаях является зависимой переменной).
Предположим теперь, что Утверждение 1 неверно, и число
Тогда имеем:
(5)
где x, y и z – ненулевые рациональные числа, а (5) равносильно
(6)
Действительно, можно из уравнения (6) получить (5):
, (6)
, ,
,
(5), что и требовалось доказать.
Обозначим . Тогда (6) примет вид: . Так как x, y и z - рациональные числа, то и числа A, B и C также рациональные числа. Но тогда они будут рациональными решениями уравнения Ферма 3-й степени , которое, как хорошо известно, неразрешимо в рациональных числах.
Полученное противоречие доказывает наше утверждение.
Примечание:
1). Легко понять, что суммой P4
в (1) может быть являться любое из слагаемых (например: ), а произведение новых членов остается прежним, то есть
,
где i может принимать и значение 4, тогда в произведении
2). . А если А = 0, или В = 0? Ведь в этом случае могут, наверно, появиться и ненулевые рациональные числа р1
, р2
, р3,
R, удовлетворяющие условию нашего Утверждения! Покажем, что они не появятся.
Случаи, когда А=0, или В=0, противоречат нашему утверждению.
Действительно, если, например,
то из В = С
= x = 0 x = 0 х=0, что противоречит нашему утверждению.
Аналогичные рассуждения и для В=0.
Утверждение 2
Пусть являются рациональными функциями с рациональными коэффициентами, причем для всех x. Тогда функция ни в одной рациональной точке x не может быть равной ни , то есть не может выполняться соотношение .
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x мы получаем утверждение для рациональных чисел, которое сформировано в предыдущем Утверждении 1, что и требовалось доказать.
Утверждение 3.
Пусть являются рациональными функциями с рациональными коэффициентами от нескольких переменных x, y, z , …, причем для всех x, y, z, …. Тогда функция ни в одной из рациональных точек x, y, z, … не может быть равной ни
то есть не может выполняться соотношение
где i=1;2;3;4
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x, y, z, … мы получаем утверждение для рациональных чисел, то есть Утверждение 1, что и требовалось доказать.
Где и как можно использовать вышеприведенные утверждения?
Для анализа разрешимости некоторых уравнений в рациональных числах практически по внешнему виду.
Примеры
1.
где x2
– второе слагаемое, которое при рациональном x является рациональным числом => уравнение не разрешимо в рациональных числах.
2.
где x – второе слагаемое, которое при рациональном x – рациональное число. не разрешимо в рациональных числах.
3.
где y – третье слагаемое, которое при рациональном y – рациональное число не разрешимо в рациональных числах.
Следствие
Система уравнений
неразрешима в рациональных числах, где - переменные (не равные 0).
Задача 3
Утверждение (n=3) Уравнение
a3
= b2
+ cd2
(1)
где с = const, имеет следующее решение:
a = α2
+ cβ2
b = α3
- 3cαβ2
d = 3α2
β - cβ3
где α и β - произвольные числа.
Доказательство
Рассмотрим тождество
(2) (x2
+cy2
)(u2
+cυ2
)≡(xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
где с = const (некоторое число); x,y,u,υ - переменные (произвольные числа).
Если один из 2x
сомножителей в скобках левой части тождества (2) является квадратом другого (например: (x2
+cy2
)2
=u2
+cυ2
), то тождество (2) можно записать не через четыре переменных x,y,u,υ, а только через две (α и β), где α и β-другие переменные.
Действительно, если (x2
+cy2
)2
=u2
+cυ2
(3), общий вид которого
(4) a1
2
=u2
+cυ2
(случай, когда(n=2)), а его решения (это специалистам известно):
(5) a1
=α2
+cβ2
,
(6) u=α2
-cβ2
,
(7) υ=2αβ, где α и β-произвольные числа ((эти решения специалистам известны).
(Действительно, если в (4) подставить его решения (5), (6) и (7), то получим тождество: (α2
+cβ2
)2
≡ (α2
-cβ2
)2
+c(2αβ)2
(8). Следовательно, имеем следующее:
(9) x2
+cy2
=α2
+cβ2
(6) u=α2
-cβ2
(7) υ=2αβ
Уравнение (9) обращается в тождество при x=α (10) и y=β (11), значит
(10) и (11) являются решениями (9).
Учитывая (3), тождество (2) запишется в виде уравнения:
(x2
+cy2
)(x2
+cy2
)2
=(xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
=>
=> (12) (x2
+cy2
)3
=(xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
Учитывая (6), (7), (10) и (11), уравнение (12) запишется:
(α2
+сβ2
)3
=[α·(α2
-cβ2
)-cβ·2αβ]2
+c[α·2αβ+β(α2
-cβ2
)]2
=
=[α3
-cαβ2
-2cαβ2
]2
+c[2α2
β+βα2
-cβ3
]2
=(α3
-3cαβ2
)2
+c(3α2
β-cβ3
)2
=>
=> (13) (α2
+cβ2
)3
≡(α3
-3cαβ2
)2
+c(3α2
β-cβ3
)2
где α и β - произвольные.
Т.к. (13) - тождество, то решением уравнения (1) a3
= b2
+ cd2
(случай, когда(n=3)), являются:
а = α2
+ cβ2
b = α3
- 3cαβ2
d = 3α2
β - cβ3
, где α и β - произвольные числа, ч.т.д..
Утверждение 2. (n = 2;3;4;5;6;7)
Уравнение an
=b2
+cd2
(1), где c = const, имеет следующее решение:
a=α2
+cβ2
b=αn
-κ3
cαn
-2
β2
+κ5
c2
αn
-4
β4
-κ7
c3
αn
-6
β6
+…
d=nαn
-1
β-κ4
cαn
-3
β3
+κ6
c2
αn
-5
β5
-κ8
c3
αn
-7
β7
+…,
где κi
- биноминальные коэффициенты степени n, где i = 3;4;5;6;7;8;…;
κ1
=1 - первые два биноминальных коэффициента в
κ2
= п биноме Ньютона при αn
и αn
-1
β;
n - натуральная степень (n>1).
Доказательство
(методом анализа частных случаев, когда n = 2;3;4;5;6;7)
I этап
Рассмотрим частные случаи.
Нам уже известны решения уравнения (1) an
=b2
+cd2
для степени n=2 и n=3 (смотри доказательствоУтверждение1).
n = 2
(2) a2
= b2
+ cd2
, где
a=α2
+cβ2
b=α2
-cβ2
(2') - при этих значениях a, b и c уравнение (2) превращается в d=2αβ тождество (α2
+cβ2
)2
≡ (α2
-cβ2
)2
+c(2αβ)2
(2'').
n=3
(3) a3
=b2
+cd2
,
где
a=α2
+cβ2
b=α3
-3cαβ2
(3') - при этих значениях a,b и c уравнение (3) превращается в d=3α2
β-cβ3
тождество (α2
+сβ2
)3
≡ (α3
-3сαβ2
)2
+с(3α2
β-сβ3
)2
(3'').
Пример: при α = β = 1 и c=2 имеем верное равенство:
(1+2·1)3
= (1-3·2·1)2
+ 2·(3-2·1)2
33
≡ 52
+2·12
Напомню, что при нахождении решения уравнения (1) для степени n = 3 мы в доказательстве Утверждения1опирались на тождество (2)
(x2
+cy2
)(u2
+cυ2
) ≡ (xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
,
и на решение уравнения (1) второй степени, т.е. степени на единицу меньшую. Аналогичным методом можно найти решение уравнения (1) для других натуральных степеней n.
n=4
Пусть в тождестве (2) (x2
+cy2
)(u2
+cυ2
) ≡ (xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
a = x2
+cy2
a3
= u2
+cυ2
(5)
тогда имеем соотношение (x2
+cy2
)3
= u2
+cυ2
(6), которое есть ничто иное, как уравнение (1) с n=3: a3
= b2
+ cd2
(3) (см. случай n=3).
Учитывая (3') и (6), получаем:
а = x2
+cy2
= α2
+cβ2
(7')
u = α3
-3cαβ2
(7) (7'')
υ = 3α2
β-cβ3
(7''')
Учитывая формулы (10) и (11) в доказательстве Утверждения1 (x=α , y=β (8)) при нахождении решения уравнения (1) для n=3, автоматически распространим его и при нахождении решения уравнения (1) для n>3. Тогда, с учетом (5) тождество (2) принимает вид:
a4
= (xu-cyυ)2
+ c(xυ+yu)2
=> a4
= b2
+ cd2
(9)
где
a = x2
+cy2
b = xu-cyυ (10)
d = xυ+yu
Учитывая (8), (7'),…, (7'''), запишем a, b, d в системе (10) через α и β:
a = α2
+cβ2
b =xu-cyυ=α(α3
-3cαβ2
)-cβ(3α2
β-cβ3
)=α4
-3cα2
β2
-3cα2
β2
+c2
β4
= α4
-6cα2
β2
+c2
β4
d = xυ+yu=α(3α2
β-cβ3
)+β(α3
-3cαβ2
)=3α3
β-cαβ3
+βα3
-3cαβ3
= 4α3
β-4cαβ3
Итак, уравнение (9) a4
=b2
+cd2
имеет следующее решение:
a = α2
+ cβ2
b = α4
-6cα2
β2
+c2
β4
(11) и соответствующее тождество: d = 4α3
β - 4cαβ3
(12) (α2
+сβ2
)4
≡(α4
-6сα2
β2
+с2
β4
)2
+с(4α3
β-4сαβ3
)2
Пример:
при α = β = 1 и с = 2 => 34
= (1-12+4)2
+2·(4-8)2
=> 81 ≡ 49 + 32.
n=5
Рассуждения аналогичны.
Пусть в тождестве (2) (x2
+cy2
)(u2
+cυ2
) ≡ (xu-cyυ)2
+c(xυ+yu)2
a = x2
+cy2
(13)
тогда получаем соотношение:
a4
= u2
+cυ2
(x2
+cy2
)4
= u2
+cυ2
которое есть ничто иное, как уравнение (1) с n=4: (9) a4
=b2
+cd2
) (см. случай n=4), решение которого есть система (11). Отсюда:
a =x2
+cy2
=α2
+cβ2
u =α4
-6cα2
β2
+c2
β4
(14)
υ =4α3
β-4cαβ3
С учетом (13) тождество (2) принимает вид:
a5
= (xu-cyυ)2
+ c(xυ+yu)2
=> a5
=b2
+cd2
(15)
где
a = x2
+cy2
b = xu-cyυ (16)
d = xυ+yu
Учитывая (8) (x=α , y=β) и (14), запишем a,b,d в системе (16) через переменные α и β:
a = α2
+ cβ2
b = xu-cyυ =α(α4
-6cα2
β2
+c2
β4
)-cβ·(4α3
β-4cαβ3
)=
=α5
-6cα3
β2
+αc2
β4
-4cα3
β2
+4c2
αβ4
= α5
-10cα3
β2
+5c2
αβ4
d = xυ+yu =α(4α3
β-4cαβ3
)+β(α4
-6cα2
β2
+c2
β4
)=
=4α4
β-4cα2
β3
+α4
β-6cα2
β3
+c2
β5
= 5α4
β-10cα2
β3
+c2
β5
Итак, уравнение (15) a5
=b2
+cd2
имеет следующие решения:
a=α2
+cβ2
d=5α4
β-10cα2
β3
+c2
β5
(17)
b=α5
-10cα3
β2
+5c2
αβ4
и соответствующее тождество:
(α2
+cβ2
)5
=(α5
-10cα3
β2
+5c2
αβ4
)2
+c(5α4
β-10cα2
β3
+c2
β5
)2
(18)
Пример:
при α=β=1 и с=2 =>
=> 35
= (1-20+20)2
+2·(5-20+4)2
= 12
+2·112
=> 35
= 12
+2·112
= 243
n=6
Решение уравнения a6
=b2
+cd2
(19) находятся аналогично. Доказательство опирается на известные решения уравнения предыдущей степени, т.е. n=5. Уравнение (19) имеет следующее решение:
a = α2
+ cβ2
b = α6
- 15cα4
β2
+ 15c2
α2
β4
- c3
β6
(20)
d = 6α5
β - 20cα3
β3
+ 6c2
α
и соответствующее тождество:
(α2
+ cβ2
)6
= (α6
- 15cα4
β2
+ 15c2
α2
β4
- c3
β6
)2
+ c(6α5
β - 20cα3
β3
+ 6c2
αβ5
)2
(21)
Пример:
при α = β = 1 и c = 2 имеем:
36
=(1- 30 + 60 - 8)2
+ 2(6 – 40 + 24)2
=
= 232
+ 2 × (-10)2
=> 36
≡ 232
+ 2 × (-10)2
≡ 725.
n=7
Аналогичные рассуждения приводят к тому, что уравнение
(22) a7
= b2
+ cd2
имеет следующее решение:
a = α2
+ cβ2
b = α7
- 21cα5
β2
+ 35c2
α3
β4
- 7c3
αβ6
(23)
d = 7α6
β - 35cα4
β3
+ 21c2
α2
β5
– c3
β
а соответствующее тождество:
(24) (α2
+ cβ2
)7
≡
≡(α7
- 21cα5
β2
+ 35c2
α3
β4
-7c3
α6
β7
)2
+24+ c(7α6
β - 35cα4
β3
+ 21c2
α2
β5
– c3
β7
)
Пример:
при α = β = 1 и c = 2 имеем:
37
= (1- 42
+ 140 - 56)2
+ 2(7 – 70 + 84 - 8)2
=
= 432
+ 2×132
=> 37
≡ 432
+ 2×132
≡ 2187.
ІІ этап
Получение общего решения уравнения
(1) an
=b2
+ cd2
(Напомним, доказательство не строгое, опирается на частные случаи)
Выпишем все тождества, полученные для каждой степени
n = 2; 3; 4; 5; 6; 7;
n = 2
(α2
+cβ2
)2
= (α2
– cβ2
)2
+ c(2αβ)2
n = 3
(α2
+cβ2
)3
= (α3
- 3cαβ2
)2
+c(3α2
β – cβ3
)2
n = 4
(α2
+cβ2
)4
= (α4
- 6cα2
β2
+c2
β4
)2
+c(4α3
β – 4cαβ3
)2
n = 5
(α2
+cβ2
)5
= (α5
- 10cα3
β2
+5c2
αβ4
)2
+c(5α4
β – 10cα2
β3
+c2
β5
)2
n = 6
(α2
+cβ2
)6
= (α6
- 15cα4
β2
+15c2
α2
β4
-c3
β6
)2
+c(6α5
β – 20cα3
β3
+6c2
αβ5
)2
n = 7
(α2
+cβ2
)7
= (α7
- 21cα5
β2
+35c2
α3
β4
-7c3
αβ6
)2
+c(7α6
β –
-35cα4
β3
+21c2
α2
β5
-c3
β7
)2
Анализируя эти тождества, приходим к общему тождеству общего уравнения
an
= b2
+ cd2
(1) :
(α2
+ cβ2
)n
= (αn
– k3
cαn
-2
β2
+ k5
c2
αn
-4
β4
– k7
c3
αn
-6
β6
+…)2
+
+ c(nαn
-1
β – k4
cαn
-3
β3
+ k6
c2
αn
-5
β5
– k8
c3
αn
-7
β7
)2
(25)
где в правой части тождества 25 в обеих скобках слагаемые представляют собой слагаемые бинома Ньютона
(α + β)n
, умноженных на ±cm
, где m = 0,1,2,3…,
знак «+», если m-четное,
ki
– биноминальные коэффициенты, где i= 3,4,5,…,
k1
= 1 - первые два биноминальных коэффициента при αn
и αn-1
β.
k2
= n
Глядя на уравнение (1) и тождество (25), определяем, что решением уравнения (1) an
= b2
+ cd2
являются:
a = α2
+ cβ2
b = αn
– k3
cαn
-2
β2
+ k5
c2
αn
-4
β4
– k7
c3
αn
-6
β6
+…
d = nαn
-1
β – k4
cαn
-3
β3
+ k6
c2
αn
-5
β5
– k8
c3
αn-7
β7
+…, ч.т.д.
Утверждение. ( n>1-любое натуральное)
Уравнение an
= b2
+ cd2
(1), где c = const, имеет следующее решение:
a = α2
+ cβ2
(2) b = αn
– k3
cαn
-2
β2
+ k5
c2
αn
-4
β4
– k7
c3
αn
-6
β6
+…
d = nαn
-1
β – k4
cαn
-3
β3
+ k6
c2
αn
-5
β5
– k8
c3
αn
-7
β7
+…,
ki
– биноминальные коэффициенты степени n,
где i = 3; 4; 5; 6; 7; 8…,
k1
= 1 первые два биноминальных
k2
= n коэффициента для степени n,
n – натуральная степень (n > 1)
Общее доказательство
(Метод математической индукции)
Итак, нами доказана справедливость найденного решения (2)
уравнения (1) для степеней n = 2; 3; 4; 5; 6; 7.
Предположим, что решение (2) справедливо и для степени n–1.
Тогда, обозначив биноминальные коэффициенты для этой степени ki/n-1
, где i = 1; 2; 3…, (k1/n-1
= 1, k2/n-1
= n-1), можно записать тождество:
(3) (α2
+cβ2
)n-1
≡
≡ (αn-1
– k3/n-1
cαn-3
β2
+ k5/n-1
c2
αn-5
β4
– k7/n-1
c3
αn-7
β6
+…)2
+
(первая скобка)
+ c(k2/n-1
αn-2
β – ck4/n-1
αn-4
β3
+ c2
k6/n-1
αn-6
β5
– c3
k8/n-1
αn-8
β7
+ …)2
⇒
(вторая скобка)
⇒ (α2
+ cβ2
)n-1
≡ (первая скобка)2
+ c(вторая скобка)2
(3')
При нахождении решений уравнения (1) для частных случаев (n = 2; 3; 4; 5; 6; 7) мы использовали соотношение:
(4) an
= (xu - cyυ)2
+ c(xυ + yu)2
,
где n = 2; 3;…7.
x = α
y = β
a = x2
+ cy2
= α2
+ cβ2
(5) b = xu – cyυ = αu – cβυ
d = xυ + yu = αυ + βu
где, в свою очередь
u = (первая скобка)
υ = (вторая скобка), для n = 2; 3; 4; 5; 6; 7 в соотношении (3) (или (3'))
Аналогично рассуждая, попробуем доказать справедливость теоремы для произвольной степени n, предположив, что она справедлива для степени n – 1
Это значит, что надо исследовать решение (5) уравнения (4) (или, что тоже, уравнения (1)) для произвольной степени n.
Итак, пусть для произвольной степени n
a = α2
+ cβ2
(6)
b = αu – cβυ = α(первая скобка) – cβ(вторая скобка) =
= α(αn-1
-k3/n-1
cαn-3
β2
+ k5/n-1
c2
αn-5
β4
-k7/n-1
c3
αn-7
β6
+...)
- cβ(k2/n-1
αn-2
β – ck4/n-1
αn-4
β3
+ c2
k6/n-1
αn-6
β5
–
– c3
k8/
n
-1
αn
-8
β7
+…) =
= (αn
– ck3/
n
-1
αn
-2
β2
+ c2
k5/
n
-1
αn
-4
β4
– c3
k7/
n
-1
αn
-6
β6
+…) +
+ (-ck2/
n
-1
αn
-2
β2
+ c2
k4/
n
-1
αn
-4
β4
– c3
k6/
n
-1
αn
-6
β6
+
+ c4
k8/
n
-1
αn
-8
β8
-…) =
= αn
– c(k2/
n
-1
+ k3/
n
-1
)αn
-2
β2
+ c2
(k4/
n
-1
+ k5/
n
-1
) +
+ αn
-4
β4
- c3
(k6/
n
-1
+ k7/
n
-1
)αn
-6
β6
+…=
= αn
- ck3
αn
-2
β2
+ c2
k5
αn
-4
β4
-c3
k7
αn
-6
β6
+….
b = αn
- ck3
αn
-2
β2
+ c2
k5
αn
-4
β4
-c3
k7
αn
-6
β6
+… (7)
где (8) kί
= kί-1/n-1
+ kί/n-1
– биноминальные коэффициенты для степени n;
ί = 3;5;7;…;
k1
= 1 – первый биноминальный
коэффициент при αn
в (7);
kί-1/n-1
и kί/n-1
– два биноминальных последовательных
коэффициента для степени n – 1.
Соотношение (8) - это одно из свойств биноминальных коэффициентов в «Треугольнике Паскаля»:
Каждый из биноминальных коэффициентов равен сумме двух биноминальных коэффициентов, стоящих над ним.
«Треугольник Паскаля»
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
Теперь найдем выражение для d:
d = αυ + βu = α(вторая скобка) + β(первая скобка) =
= α(k2/n-1
αn-2
β – ck4/n-1
αn-4
β3
+ c2
k6/n-1
αn-6
β5
–
– c3
k8/
n
-1
αn
-8
β7
+…) +
+ β(αn
-1
-ck3/
n
-1
cαn
-3
β2
+ k5/
n
-1
c2
αn
-5
β4
-k7/
n
-1
c3
αn
-7
β6
+...) =
= k2/
n
-1
αn
-1
β – ck4/
n
-1
αn
-3
β3
+ c2
k6/
n
-1
αn
-5
β5
–
– c3
k8/
n
-1
αn
-7
β7
+…+ αn
-1
β – ck3/
n
-1
αn
-3
β3
+ c2
k5/
n
-1
αn
-5
β5
–
– c3
k7/
n
-1
αn
-7
β7
+…=
= (1 + k2/
n
-1
) αn
-1
β – c(k3/
n
-1
+ k4/
n
-1
) αn
-3
β3
+ c2
(k5/
n
-1
+ k6/
n
-1
) αn
-5
β5
– c3
(k7/
n
-1
+ k8/
n
-1
) αn
-7
β7
+…=
= k2
αn
-1
β – ck4
αn
-3
β3
+ c2
k6
αn
-5
β5
– c3
k8
αn
-7
β7
+….
d = k2
αn
-1
β – ck4
αn
-3
β3
+ c2
k6
αn
-5
β5
– c3
k8
αn
-7
β7
+… (9),
где (8) kί
= kί-1/n-1
+ kί/n-1
- – биноминальные коэффициенты для степени n; (вышеупомянутое свойство
биноминальных коэффициентов(8));
ί = 2;4;6;8;…;
k2
= n - второй биноминальный
коэффициент для степени n;
kί-1/n-1
и kί/n-1
– два биноминальных последовательных коэффициента для степени n – 1.
Итак, учитывая (5), (6), (7), (9), уравнение (4) принимает вид:
an
= b2
+ cd2
(1), где
a = α2
+ cβ2
b = αn
– c k3
αn-2
β2
+ c2
k5
αn-4
β4
– c3
k7
αn-6
β6
+…
d = nαn-1
β – c k4
αn-3
β3
+ c2
k6
αn-5
β5
– c3
k8
αn-7
β7
+…,
являются решениями уравнения (1) при c = const;
ki
– биноминальный коэффициент степени n;
i = 3; 4; 5; 6; 7; 8…;
k1
= 1, k2
= n, n > 1 - натуральная степень.
Утверждение доказано.
Скворцов Александр Петрович, учитель, ветеран педагогического труда;
г. Колпашево Томской области, август 2009.
Первая задача рецензирована в 1996 г. доктором физико математических наук.
Все три задачи чуть позже рецензированы томским специалистом математиком Тимошенко Е. (к сожалению, ни имени, ни отчества его я не знаю), которого для этой цели по моей просьбе нашел ректор ТПУ Похолков Юрий Петрович, за что я им всем очень и очень благодарен.
Отзыв специалистов о моей работе неплохой. Вот выдержка из «Рецензии на работу Скворцова А.П. «Несколько задач, теорем и утверждений по теории чисел»» Тимошенко Е.: «В данной работе особый интерес представляют доказательства неразрешимости в рациональных ненулевых числах уравнения р1
+ р2
= р3 ,
где р1
* р2
* р3
= R3
, где R – рациональное число (Задача 1. Автор), и неразрешимости в рациональных ненулевых числах системы , (Задача 2. Автор).
Автор указывает довольно широкое семейство решений уравнения an
=b2
+cd2
(1), зависящее от двух параметров и (Задача 3. Автор). Так, для уравнения (2) a3
= b2
+ cd2
приводится решение а = α2
+ cβ2
, b = α3
- 3cαβ2
, d = 3α2
β - cβ3
(3).
К сожалению, остается недоказанным, что это решение – общее, т.е. не ясно, любое ли решение уравнения (2) может быть представлено в виде (3). То же самое можно сказать и о решении уравнения (1). … ». К сожалению, этот вопрос для меня до сих пор остается открытым. Хотя, если мое мнение кого-то интересует, интуиция мне подсказывает, что найденное мною решение уравнения (1) - единственное. Однако я хорошо понимаю, что интуиция – это еще не факт.
Думаю, что специалистам данная Задача 3 и ее доказательство известны. Однако лично мне она на глаза не попадалась. В дальнейшем в одной из очередных работ результаты этой задачи мне очень пригодились.
Что касается первых двух задач, то они мне тоже нравятся, и, думаю, могут вызвать интерес не только у специалистов, но и у студентов и школьников на факультативных занятиях.
А.П. Скворцов.