Maths Olympiad Prep

Library / /38 of 57

Algebra Difficulty 7.0 National olympiad, round 2 Prove it Russia

Nonzero real numbers aa, bb, cc are chosen so that each two of three equations ax11+bx4+c=0a x^{11} + b x^4 + c = 0, bx11+cx4+a=0b x^{11} + c x^4 + a = 0, cx11+ax4+b=0c x^{11} + a x^4 + b = 0 share a common root. Prove that all three equations share a common root.

Ненулевые числа aa, bb, cc таковы, что любые два из трёх уравнений ax11+bx4+c=0a x^{11} + b x^4 + c = 0, bx11+cx4+a=0b x^{11} + c x^4 + a = 0, cx11+ax4+b=0c x^{11} + a x^4 + b = 0 имеют общий корень. Докажите, что все три уравнения имеют общий корень.
(И. Богданов)

Solution

Заметим сразу, что все корни наших уравнений — ненулевые, поскольку свободные члены не равны нулю.

Пусть pp — общий корень первых двух уравнений. Тогда имеем
0=b(ap11+bp4+c)a(bp11+cp4+a)=p4(b2ac)(a2bc),0=b(bp11+cp4+a)c(ap11+bp4+c)=p11(b2ac)(c2ab). \begin{aligned} 0 &= b(a p^{11} + b p^4 + c) - a(b p^{11} + c p^4 + a) = p^4 (b^2 - a c) - (a^2 - b c), \\ 0 &= b(b p^{11} + c p^4 + a) - c(a p^{11} + b p^4 + c) = p^{11} (b^2 - a c) - (c^2 - a b). \end{aligned}

Отсюда следует, что если одно из чисел A=a2bcA = a^2 - b c, B=b2acB = b^2 - a c, C=c2abC = c^2 - a b равно нулю, то и все три равны нулю. Но тогда a/b=b/c=c/aa/b = b/c = c/a, а поскольку произведение этих чисел равно 1, то и все они равны 1, то есть a=b=ca = b = c. В этом случае утверждение задачи очевидно.

В противном случае все три числа A,B,CA, B, C ненулевые. Тогда p4=ABp^4 = \frac{A}{B}, p11=CBp^{11} = \frac{C}{B}. Обозначив через qq общий корень второго и третьего уравнений, а через rr общий корень третьего и первого уравнений. Аналогично предыдущему, имеем q4=BCq^4 = \frac{B}{C}, откуда p11q4=1p^{11} q^4 = 1. Таким же образом получаем равенства q11r4=1q^{11} r^4 = 1, r11p4=1r^{11} p^4 = 1. Отсюда p111111=q41111=r4411=p444p^{11 \cdot 11 \cdot 11} = q^{-4 \cdot 11 \cdot 11} = r^{4 \cdot 4 \cdot 11} = p^{-4 \cdot 4 \cdot 4}, следовательно p113+43=1p^{11^3 + 4^3} = 1, и значит p=1p = 1. Аналогично q=r=1q = r = 1. Но тогда 1 является общим корнем всех трёх уравнений.

Замечание. В случае если все три числа A,B,CA, B, C ненулюемые, решение можно завершить по-другому. Переименовав, если надо, переменные по циклу, можно считать, что B|B| — среднее по величине из чисел A,B,C|A|, |B|, |C|. Тогда из полученных выше равенств следует, что одно из чисел p4=AB|p|^4 = \frac{|A|}{|B|} и p11=CB|p|^{11} = \frac{|C|}{|B|} не больше единицы, а другое — не меньше единицы. Это возможно лишь тогда, когда оба они равны единице, то есть p=1|p| = 1. Аналогично q=r=p=1|q| = |r| = |p| = 1, и два из чисел p,q,rp, q, r равны, скажем, p=qp = q. Но тогда это число является общим корнем всех трёх уравнений.

Второе решение. Достаточно доказать, что одно из данных уравнений имеет ровно один корень; тогда он будет общим у этого уравнения с каждым из остальных. Рассмотрим среди данных уравнений то, в котором коэффициенты при x4x^4 и свободный член имеют одинаковый знак, пусть для определенности b=b<0b = -b' < 0, c=c<0c = -c' < 0 (случай b>0,c>0b > 0, c > 0 сводится к случаю b<0,c<0b < 0, c < 0 домножением уравнения на 1-1). Пусть a>0a > 0 (случай a<0a < 0 сводится к случаю a>0a > 0 заменой переменной xx на x-x).

Покажем, что уравнение f(x)=0f(x) = 0, где f(x)=ax11bx4cf(x) = a x^{11} - b' x^4 - c', имеет не более одного корня (на самом деле, оно имеет ровно один корень). Перепишем это уравнение в виде
x4(ax7b)=c x^4 (a x^7 - b') = c'
Видим, что при x<d=(ba)1/7x < d = \left(\frac{b'}{a}\right)^{1/7} уравнение не имеет решений, так как левая часть отрицательна. На промежутке же [d,+)[d, +\infty) левая часть монотонно возрастает, поскольку оба сомножителя неотрицательны и возрастают. Значит, на этом промежутке есть не более одного корня.

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.