Maths Olympiad Prep

Library / /31 of 61

Number theory Difficulty 5.7 AIME, harder Prove it Ukraine

Can a product of four consecutive odd positive integers be a cube of an integer?

Solution

Нехай для деякого парного числа kk і натурального числа ll виконується рівність (k3)(k1)(k+1)(k+3)=l3(k-3)(k-1)(k+1)(k+3) = l^3, тобто (k29)(k21)=l3(k^2-9)(k^2-1) = l^3. Якщо числа k29k^2-9 і k21k^2-1 мають спільний простий дільник, то він є дільником їхньої різниці, а тому дорівнює 2. Але числа k29k^2-9 і k21k^2-1 непарні, отже вони взаємно прості і кожне з них є точним кубом. Відтак, k29=n3k^2-9 = n^3 та k21=m3k^2-1 = m^3, де m,nNm, n \in \mathbb{N}. Звідси m3n3=8m^3-n^3=8, тобто (mn)(m2+mn+n2)=8(m-n)(m^2+mn+n^2) = 8. Оскільки mn<m2+mn+n2m-n < m^2+mn+n^2, то можливі лише два випадки:
{mn=1,m2+mn+n2=8;або{mn=2,m2+mn+n2=4. \begin{cases} m-n=1, \\ m^2+mn+n^2=8; \end{cases} \text{або} \begin{cases} m-n=2, \\ m^2+mn+n^2=4. \end{cases}
Перша система не має розв'язків у натуральних числах, бо коли mn=1m-n=1, то mm і nn мають різну парність, а тоді m2+mn+n2m^2+mn+n^2 — непарне число.
Друга система також не має розв'язків у натуральних числах, бо коли mn=2m-n=2, то m3m \geq 3, а тоді m2+mn+n2>m29m^2+mn+n^2 > m^2 \geq 9. Отже, вказаний добуток не може бути точним кубом.

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.