Maths Olympiad Prep

Library / /35 of 44

Number theory Difficulty 6.7 National olympiad Prove it Russia

A triple of positive integers (a,b,c)(a, b, c) is called quadratic if a,b,ca, b, c is a nondecreasing arithmetic progression, gcd(b,a)=gcd(b,c)=1\gcd(b, a) = \gcd(b, c) = 1, and abcabc is a perfect square. Prove that for any quadratic triple, there exists some other quadratic triple containing at least one number from the first triple.

Назовем тройку натуральных чисел (a,b,c)(a, b, c) квадратной, если они образуют неубывающую арифметическую прогрессию (именно в таком порядке), число bb взаимно просто с каждым из чисел aa и cc, а число abcabc является точным квадратом. Докажите, что для любой квадратной тройки найдётся другая квадратная тройка, имеющая с ней хотя бы одно общее число.

Solution

Если b=1b = 1, то a=c=1a = c = 1, и в качестве другой тройки можно выбрать (1,25,49)(1, 25, 49). Если же b1b \neq 1, то из взаимной простоты разность прогрессии dd не может оказаться нулевой. Тогда без ограничения общности d=ba=cb>0d = b - a = c - b > 0.

Поскольку bb взаимно просто как с aa, так и с cc, то оно взаимно просто как с acac. Далее, произведение взаимно простых чисел acac и bb является квадратом, поэтому и каждое из них — также квадрат, то есть b=f2b = f^2, ac=m2=(bd)(b+d)=b2d2ac = m^2 = (b-d)(b+d) = b^2 - d^2 для некоторых натуральных ff и mm. При этом mdm \neq d, так как в противном случае b2=m2+d2=2m2b^2 = m^2 + d^2 = 2m^2, что невозможно.

Рассмотрим теперь тройку (bm,b,b+m)(b-m, b, b+m). Ее члены образуют арифметическую прогрессию, являются натуральными числами (так как b2m2=d2>0b^2 - m^2 = d^2 > 0), и их произведение (bm)b(b+m)=f2(b2m2)=(df)2(b-m)b(b+m) = f^2(b^2 - m^2) = (df)^2 является квадратом. Кроме того, gcd(b,m2)=gcd(b,ac)=1\gcd(b, m^2) = \gcd(b, ac) = 1, откуда 1=gcd(b,m)=gcd(b,bm)=gcd(b,b+m)1 = \gcd(b, m) = \gcd(b, b-m) = \gcd(b, b+m). Значит, эта тройка — квадратная, она имеет общий элемент bb с исходной и отлична от нее (ибо bmbdb-m \neq b-d), что и требовалось.

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.