Maths Olympiad Prep

Library / /13 of 57

Number theory Difficulty 6.1 National olympiad Prove it Russia

Do there exist three coprime positive integer numbers such that a square of each of them is divisible by a sum of the other two?

Существуют ли три взаимно простых в совокупности натуральных числа, квадрат каждого из которых делится на сумму двух оставшихся?

Solution

Ответ. Не существуют.

Первое решение. Предположим противное: пусть нашлись такие числа a,b,ca, b, c. Заметим, что числа a+b,b+c,c+aa+b, b+c, c+a попарно взаимно просты. В самом деле, пусть, скажем, числа a+b,b+ca+b, b+c делятся на некоторое простое pp. Поскольку c2:(a+b),a2:(b+c)c^2: (a+b), a^2: (b+c), то числа cc и aa также делятся на pp, а тогда и b=(a+b)ab = (a+b) - a на него делится, что противоречит условию.

Далее, поскольку a2:(b+c)a^2: (b+c), число (a+b+c)2=a2+(b+c)(2a+b+c)(a+b+c)^2 = a^2 + (b+c)(2a+b+c) делится на b+cb+c. Аналогично, оно делится на a+ba+b и на c+ac+a. Так как последние три числа попарно взаимно просты, (a+b+c)2(a+b+c)^2 делится на (a+b)(a+c)(b+c)(a+b)(a+c)(b+c); в частности, (a+b+c)2(a+b)(b+c)(c+a)(a+b+c)^2 \ge (a+b)(b+c)(c+a). С другой стороны, ясно, что все числа a,b,ca, b, c не меньше 2, значит,
(a+b)(b+c)(c+a)=(a2b+b2c+c2a)+(ab2+bc2+ca2)+2abc>(2a2+2b2+2c2)+(2ab+2bc+2ca)>(a+b+c)2. (a+b)(b+c)(c+a) = (a^2b+b^2c+c^2a)+(ab^2+bc^2+ca^2)+2abc > (2a^2+2b^2+2c^2)+(2ab+2bc+2ca) > (a+b+c)^2.

Противоречие.

Второе решение. Как и в первом решении, заметим, что числа a+b,b+c,c+aa+b, b+c, c+a попарно взаимно просты. Пусть abca \ge b \ge c. Заметим, что число b2+c2a2=(b+a)(ba)+c2b^2+c^2-a^2 = (b+a)(b-a)+c^2 делится на b+ab+a; аналогично, оно делится на c+ac+a. Значит, b2+c2a2:(a+b)(a+c)b^2+c^2-a^2: (a+b)(a+c). С другой стороны,
(a+b)(a+c)<a2<b2+c2a2a2<(a+b)(a+c). -(a+b)(a+c) < -a^2 < b^2 + c^2 - a^2 \le a^2 < (a+b)(a+c).
Такое может случиться лишь при b2+c2a2=0b^2 + c^2 - a^2 = 0, то есть при a2=b2+c2a^2 = b^2 + c^2.

Итак, a2=b2+c2:(b+c)a^2 = b^2 + c^2: (b+c). Тогда число 2b2=(b2+c2)+(bc)(b+c)2b^2 = (b^2+c^2)+(b-c)(b+c) также делится на b+cb+c. Поскольку числа bb и b+cb+c взаимно просты, 2:(b+c)2: (b+c), откуда b=c=1b=c=1. Но тогда 1=c21=c^2 не может делиться на a+b>1a+b > 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.