Maths Olympiad Prep

Library / /6 of 26

Number theory Difficulty 6.0 AIME, harder Prove it Russia

Is it true that for any nonzero integer numbers aa and bb the system of equations
{tan(13x)tan(ay)=1,tan(21x)tan(by)=1 \begin{cases} \tan(13x) \tan(ay) = 1, \\ \tan(21x) \tan(by) = 1 \end{cases}
has at least one solution?

Solution

Покажем, что система не будет иметь решений при a=8a = 8, b=13b = 13. Действительно, из уравнений системы вытекает, что
13x+ay=π2+πk,21x+by=π2+π 13x + ay = \frac{\pi}{2} + \pi k, \quad 21x + by = \frac{\pi}{2} + \pi \ell
при целых kk и \ell. Отсюда следует
(21a13b)y=21(13x+ay)13(21x+by)=π(4+21k13). (21a - 13b)y = 21(13x + ay) - 13(21x + by) = \pi(4 + 21k - 13\ell).
При a=8,b=13a = 8, b = 13 получаем y=(1321k4)πy = (13\ell - 21k - 4)\pi, а значит,
tan(ay)=0\tan(ay) = 0. Поэтому первое уравнение системы не может выполняться.

Замечание. Числа aa и bb такие, что 21a13b=1|21a - 13b| = 1, можно найти, применив алгоритм Евклида к паре взаимно простых чисел (21,13)(21, 13). На самом деле, в условии задачи можно заменить числа 2121 и 1313 на любую пару взаимно простых чисел, и ответ не изменится. Можно также заметить, что 1313 и 2121 — последовательные числа Фибоначчи, поэтому равенство 2181313=1|21 \cdot 8 - 13 \cdot 13| = 1 является частным случаем общего факта Fn+1Fn1Fn2=1|F_{n+1}F_{n-1} - F_n^2| = 1.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.