Maths Olympiad Prep

Library / /15 of 57

Algebra Difficulty 6.1 National olympiad Prove it Russia

Find all pairs of distinct real xx and yy such that x100y100=299(xy)x^{100} - y^{100} = 2^{99}(x - y) and x200y200=2199(xy)x^{200} - y^{200} = 2^{199}(x - y).

Найдите все пары различных действительных чисел xx и yy такие, что x100y100=299(xy)x^{100} - y^{100} = 2^{99}(x - y) и x200y200=2199(xy)x^{200} - y^{200} = 2^{199}(x - y).

Solutions — 2

Solution 1

(x,y)=(2,0)(x, y) = (2, 0) and (x,y)=(0,2)(x, y) = (0, 2).

Set x=2ax = 2a, y=2by = 2b. We have a100b100=a200b200=ab0a^{100} - b^{100} = a^{200} - b^{200} = a - b \neq 0, whence a100+b100=1a^{100} + b^{100} = 1. The case ab=0ab = 0 is easy. Assume that ab0ab \neq 0; then a,b<1|a|, |b| < 1. Since a100a=b100ba^{100} - a = b^{100} - b, we have ab>0ab > 0. Now,
1=a100b100ab=a99+a98b+a97b2++b99>>a99+b99>a100+b100=1. 1 = \left| \frac{a^{100} - b^{100}}{a-b} \right| = \left| a^{99} + a^{98}b + a^{97}b^2 + \dots + b^{99} \right| > \\ > |a^{99} + b^{99}| > a^{100} + b^{100} = 1.

Solution 2

(x,y)=(2,0)(x, y) = (2, 0) и (x,y)=(0,2)(x, y) = (0, 2).

Для удобства сделаем замену x=2ax = 2a и y=2by = 2b. Тогда из условия имеем (2a)100(2b)100=299(2a2b)(2a)^{100} - (2b)^{100} = 2^{99} \cdot (2a - 2b) и (2a)200(2b)200=2199(2a2b)(2a)^{200} - (2b)^{200} = 2^{199} \cdot (2a - 2b). Сократив оба равенства на степени двойки, получаем a100b100=a200b200=ab0a^{100} - b^{100} = a^{200} - b^{200} = a - b \neq 0. Поделив второе выражение на первое, получаем a100+b100=1a^{100} + b^{100} = 1; значит, каждое из чисел aa и bb по модулю не превосходит 1.

Если b=0b = 0, то a100=aa^{100} = a, откуда a=1a = 1. Аналогично, если a=0a = 0, то b=1b = 1; это приводит к двум ответам (x,y)=(2,0)(x, y) = (2, 0) и (x,y)=(0,2)(x, y) = (0, 2).

Пусть теперь ab0ab \neq 0; тогда a,b<1|a|, |b| < 1. Заметим, что значения функции f(x)=x100x=x(x991)f(x) = x^{100} - x = x(x^{99} - 1) положительны при x(1,0)x \in (-1, 0) и отрицательны при x(0,1)x \in (0, 1). Поскольку a100b100=aba^{100} - b^{100} = a - b, имеем f(a)=f(b)f(a) = f(b), поэтому числа aa и bb имеют одинаковый знак.

С другой стороны,
1=a100b100ab=a99+a98b+a97b2++b99.() 1 = \frac{a^{100} - b^{100}}{a - b} = a^{99} + a^{98}b + a^{97}b^2 + \dots + b^{99}. \quad (*)

Если aa и bb отрицательны, то правая часть в ()(*) также отрицательна, что невозможно. Если же aa и bb положительны, то все слагаемые в правой части ()(*) положительны, поэтому она больше, чем a99+b99a^{99} + b^{99}; итак, a99+b99<1a^{99} + b^{99} < 1. С другой стороны, поскольку 0<a,b<10 < |a|, |b| < 1, имеем a99+b99>a100+b100=1a^{99} + b^{99} > a^{100} + b^{100} = 1. Противоречие.

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.