Maths Olympiad Prep

Library / /17 of 44

Algebra Difficulty 5.7 AIME, harder Prove it Russia

Each of the trinomials x2+ax+bx^2 + a x + b and x2+ax+b+1x^2 + a x + b + 1 has at least one real root; moreover, all real roots of those trinomials are integers. Prove that the trinomial x2+ax+b+2x^2 + a x + b + 2 has no real roots.

Solution

Пусть D1,D2,D3D_1, D_2, D_3 — соответственно дискриминанты этих трёхчленов. Первые два уравнения имеют только целые корни, поэтому D1=m2,D2=n2D_1 = m^2, D_2 = n^2, где числа mm и nn можно считать целыми неотрицательными. Вычитая из первого равенства второе, получаем, что 4=m2n24 = m^2 - n^2, то есть 4=(mn)(m+n)4 = (m - n)(m + n). Числа mnm-n и m+nm+n — одной чётности, поэтому это равенство может выполняться только если mn=m+n=2m-n = m+n = 2. Но тогда n=0n = 0, и, значит, дискриминант третьего уравнения D3=n24=4D_3 = n^2 - 4 = -4 — отрицательный.

Второе решение. По теореме Виета числа aa и bb целые.
Пусть x1x_1 и x2x_2 — корни трёхчлена P1(x)=x2+ax+bP_1(x) = x^2 + a x + b, а x0x_0 — любой из корней трёхчлена P2(x)=x2+ax+b+1P_2(x) = x^2 + a x + b + 1. Поскольку P2(x)P_2(x) имеет хотя бы один корень, корни трёхчлена P1(x)=P2(x)1P_1(x) = P_2(x) - 1 различны.
Имеем P1(x0)=P2(x0)1=1, откуда1=P1(x1)P1(x0)=(x12+ax1+b)(x02+ax0+b)=(x1x0)(x1+x0+a). \text{Имеем } P_1(x_0) = P_2(x_0) - 1 = -1, \text{ откуда} \\ 1 = P_1(x_1) - P_1(x_0) = (x_1^2 + a x_1 + b) - (x_0^2 + a x_0 + b) = \\ \qquad (x_1 - x_0)(x_1 + x_0 + a).
Поскольку оба множителя в правой части целые, они могут быть равны лишь ±1\pm 1. Аналогично, x2x0=x2+x0+a=±1x_2 - x_0 = x_2 + x_0 + a = \pm 1. Так как x1x2x_1 \ne x_2, отсюда следует, что x2x1=2|x_2 - x_1| = 2 и x0=x1+x22x_0 = \frac{x_1 + x_2}{2}. Так как это рассуждение верно для произвольного корня x0x_0 трёхчлена P2(x)P_2(x), его корни совпадают, то есть P2(x)=(xx0)2P_2(x) = (x - x_0)^2. А тогда многочлен P2(x)+1=(xx0)2+1P_2(x) + 1 = (x - x_0)^2 + 1 положителен на всей оси, то есть корней не имеет.

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.