Maths Olympiad Prep

Library / /42 of 61

Algebra Difficulty 6.0 National olympiad Prove it Ukraine

A real number sequence a1,a2,,an,a_1, a_2, \dots, a_n, \dots is such that a1=1a_1 = 1, a2=9a_2 = 9 and an+2=14an+1an4a_{n+2} = 14a_{n+1} - a_n - 4 for all positive integers nn. Prove that for each positive integer nn the number ana_n is a square of integer.

Solution

З умови задачі випливає, що всі члени даної послідовності є цілими числами, причому a3=14914=121a_3 = 14 \cdot 9 - 1 - 4 = 121. Доведемо індукцією за n2n \ge 2, що an1an+1=(an+2)2a_{n-1}a_{n+1} = (a_n + 2)^2. Справді, для n=2n = 2 маємо: a1a3=1121=(9+2)2=(an+2)2a_1a_3 = 1 \cdot 121 = (9+2)^2 = (a_n + 2)^2. Припустимо тепер, що an1an+1=(an+2)2a_{n-1}a_{n+1} = (a_n + 2)^2. Тоді
anan+2(an+1+2)2=an(14an+1an4)(an+1+2)2=14anan+1an24anan+124an+14=an+1(14anan+14)(an+2)2=an1an+1(an+2)2=0. \begin{aligned} a_n a_{n+2} - (a_{n+1} + 2)^2 &= a_n (14a_{n+1} - a_n - 4) - (a_{n+1} + 2)^2 \\ &= 14a_n a_{n+1} - a_n^2 - 4a_n - a_{n+1}^2 - 4a_{n+1} - 4 \\ &= a_{n+1} (14a_n - a_{n+1} - 4) - (a_n + 2)^2 \\ &= a_{n-1} a_{n+1} - (a_n + 2)^2 = 0. \end{aligned}
За принципом математичної індукції, an1an+1=(an+2)2a_{n-1}a_{n+1} = (a_n + 2)^2 для всіх n2n \ge 2, тобто для всіх n2n \ge 2 добуток an1an+1a_{n-1}a_{n+1} є квадратом цілого числа. Якщо an1a_{n-1} — квадрат цілого числа і an1an+1a_{n-1}a_{n+1} — квадрат цілого числа, то і an+1a_{n+1} — квадрат цілого числа. Оскільки a1=1a_1 = 1 і a2=9a_2 = 9 — квадрати цілих чисел, за індукцією одержуємо, що ana_n — квадрат цілого числа для кожного натурального nn, що й треба було довести.

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.