Сочинение Три задачи по теории чисел
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Три задачи по теории чисел
Задача 1
Утверждение 1
Пусть р1, р2 и р3 являются ненулевыми рациональными числами, причем р1 + р2 = р3. Тогда произведение р1* р2 * р3 не является точным кубом никакого (отличного от нуля) рационального числа, то есть р1* р2 * р3 ≠ R3, где R – некоторое рациональное число (R ≠ 0).
Доказательство
Положим
Очевидно, что а (а≠0) и b - рациональные числа, так как рациональными являются числа р1 и р2 .
(Если а=0, т.е. р1 = - р2, то р1 + р2 = р3 = 0, что противоречит нашему утверждению (р3
Если b=0, т.е. р1 = р2, то р3 = 2 р1
Теперь нетрудно выразить старые переменные через новые:
(1)
Таким образом, замена р1 и р2 на a и b является обратимой (число Р3 в обоих случаях является зависимой переменной).
Предположим теперь, что Утверждение 1 неверно, и число
Обозначим
где q
Числа r и q являются рациональными числами, если рациональны числа a и b. Далее имеем:
Пояснение
При q=0
Из (2) следует
Отсюда число
Обозначим:
(с учетом (2) и (3))
Так как r, q – рациональные числа, то и числа A, B, (CR) -также рациональны числа.
Но тогда они будут рациональными решениями уравнения Ферма 3й степени, которое, как хорошо известно, неразрешимо в рациональных числах. Полученное противоречие доказывает наше утверждение.
Примечание. А если А = 0, или В = 0? Ведь в этом случае могут, наверно, появиться и ненулевые рациональные числа р1, р2, р3, R, удовлетворяющие условию нашего Утверждения! Покажем, что они не появятся.
Если В = r – q = 0, то r = q.
Отсюда, учитывая
имеем
откуда следует не только из
Для А = r + q = 0 рассуждения аналогичные.
Теперь сформулируем некоторое обобщение нашего Утверждения 1 на рациональные функции. Напомним, что рациональной функцией называется выражение вида
Утверждение 2
Пусть
либо
либо
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x мы получаем утверждение для рациональных чисел, которое сформулировано в предыдущем Утверждении 1, что и требовалось доказать.
Утверждение 3
Пусть
Тогда функция
где R - рациональное число (R ≠ 0);
либо
где R(x,y,z,…) – рациональная функция, которая при каждом фиксированном рациональном x, y, z,… является рациональным числом.
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x, y, z,… мы получаем утверждение для рациональных чисел, то есть Утверждение 1, что и требовалось доказать.
Где и как можно использовать вышеприведенные утверждения?
Для анализа неразрешимости некоторых уравнений в рациональных числах практически по внешнему виду.
Примеры:
1.
2.
3.
4.
5.
Следовательно, система уравнений
Задача 2
Утверждение 1
Пусть р1, р2, р3 и р4 являются рациональными ненулевыми числами, причем
где
Доказательство
Положим
Таким образом, замена р1, р2, р3 на x, y и z является обратимой (число р4 в обоих случаях является зависимой переменной).
Предположим теперь, что Утверждение 1 неверно, и число
Тогда имеем:
где x, y и z – ненулевые рациональные числа, а (5) равносильно
Действительно, можно из уравнения (6) получить (5):
Обозначим
Полученное противоречие доказывает наше утверждение.
Примечание:
1). Легко понять, что суммой P4 в (1) может быть являться любое из слагаемых (например:
где i может принимать и значение 4, тогда в произведении
2). . А если А = 0, или В = 0? Ведь в этом случае могут, наверно, появиться и ненулевые рациональные числа р1, р2, р3, R, удовлетворяющие условию нашего Утверждения! Покажем, что они не появятся.
Случаи, когда А=0, или В=0, противоречат нашему утверждению.
Действительно, если, например,
Аналогичные рассуждения и для В=0.
Утверждение 2
Пусть
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x мы получаем утверждение для рациональных чисел, которое сформировано в предыдущем Утверждении 1, что и требовалось доказать.
Утверждение 3.
Пусть
то есть не может выполняться соотношение
где i=1;2;3;4
Доказательство
Действительно, при каждом фиксированном рациональном x, y, z, … мы получаем утверждение для рациональных чисел, то есть Утверждение 1, что и требовалось доказать.
Где и как можно использовать вышеприведенные утверждения?
Для анализа разрешимости некоторых уравнений в рациональных числах практически по внешнему виду.
Примеры
1.
где x2 – второе слагаемое, которое при рациональном x является рациональным числом => уравнение
2.
где x – второе слагаемое, которое при рациональном x – рациональное число.
3.
где y – третье слагаемое, которое при рациональном y – рациональное число
Следствие
Система уравнений
неразрешима в рациональных числах, где
Задача 3
Утверждение (n=3) Уравнение
a3 = b2 + cd2 (1)
где с = const, имеет следующее решение:
a = α2 + cβ2 b = α3 - 3cαβ2 d = 3α2β - cβ3
где α и β - произвольные числа.
Доказательство
Рассмотрим тождество
(2) (x2+cy2)(u2+cυ2)≡(xu-cyυ)2+c(xυ+yu)2
где с = const (некоторое число); x,y,u,υ - переменные (произвольные числа).
Если один из 2x сомножителей в скобках левой части тождества (2) является квадратом другого (например: (x2+cy2)2=u2+cυ2), то тождество (2) можно записать не через четыре переменных x,y,u,υ, а только через две (α и β), где α и β-другие переменные.
Действительно, если (x2+cy2)2=u2+cυ2 (3), общий вид которого
(4) a12=u2+cυ2 (случай, когда(n=2)), а его решения (это специалистам известно):
(5) a1=α2+cβ2,
(6) u=α2-cβ2,
(7) υ=2αβ, где α и β-произвольные числа ((эти решения специалистам известны).
(Действительно, если в (4) подставить его решения (5), (6) и (7), то получим тождество: (α2+cβ2)2 ≡ (α2-cβ2)2+c(2αβ)2 (8). Следовательно, имеем следующее:
(9) x2+cy2=α2+cβ2
(6) u=α2-cβ2
(7) υ=2αβ
Уравнение (9) обращается в тождество при x=α (10) и y=β (11), значит
(10) и (11) являются решениями (9).
Учитывая (3), тождество (2) запишется в виде уравнения:
(x2+cy2)(x2+cy2)2=(xu-cyυ)2+c(xυ+yu)2=>
=> (12) (x2+cy2)3=(xu-cyυ)2+c(xυ+yu)2
Учитывая (6), (7), (10) и (11), уравнение (12) запишется:
(α2+сβ2)3=[α·(α2-cβ2)-cβ·2αβ]2+c[α·2αβ+β(α2-cβ2)]2=
=[α3-cαβ2-2cαβ2]2+c[2α2β+βα2-cβ3]2=(α3-3cαβ2)2+c(3α2β-cβ3)2 =>
=> (13) (α2+cβ2)3≡(α3-3cαβ2)2+c(3α2β-cβ3)2
где α и β - произвольные.
Т.к. (13) - тождество, то решением уравнения (1) a3 = b2 + cd2 (случай, когда(n=3)), являются:
а = α2 + cβ2 b = α3 - 3cαβ2
d = 3α2β - cβ3, где α и β - произвольные числа, ч.т.д..
Утверждение 2. (n = 2;3;4;5;6;7)
Уравнение an=b2+cd2 (1), где c = const, имеет следующее решение:
a=α2+cβ2
b=αn-κ3cαn-2β2+κ5c2αn-4β4-κ7c3αn-6β6+…
d=nαn-1β-κ4cαn-3β3+κ6c2αn-5β5-κ8c3αn-7β7+…,
где κi - биноминальные коэффициенты степени n, где i = 3;4;5;6;7;8;…;
κ2= п биноме Ньютона при αn и αn-1β;
n - натуральная степень (n>1).
Доказательство
(методом анализа частных случаев, когда n = 2;3;4;5;6;7)
I этап
Рассмотрим частные случаи.
Нам уже известны решения уравнения (1) an=b2+cd2 для степени n=2 и n=3 (смотри доказательствоУтверждение1).
n = 2
(2) a2 = b2 + cd2, где
b=α2-cβ2 (2') - при этих значениях a, b и c уравнение (2) превращается в d=2αβ тождество (α2+cβ2)2 ≡ (α2-cβ2)2+c(2αβ)2 (2'').
n=3
(3) a3=b2+cd2,
где
a=α2+cβ2
b=α3-3cαβ2 (3') - при этих значениях a,b и c уравнение (3) превращается в d=3α2β-cβ3 тождество (α2+сβ2)3 ≡ (α3-3сαβ2)2+с(3α2β-сβ3)2 (3'').
Пример: при α = β = 1 и c=2 имеем верное равенство:
(1+2·1)3 = (1-3·2·1)2 + 2·(3-2·1)2
Напомню, что при нахождении решения уравнения (1) для степени n = 3 мы в доказательстве Утверждения1опирались на тождество (2)
(x2+cy2)(u2+cυ2) ≡ (xu-cyυ)2+c(xυ+yu)2,
и на решение уравнения (1) второй степени, т.е. степени на единицу меньшую. Аналогичным методом можно найти решение уравнения (1) для других натуральных степеней n.
n=4
a = x2+cy2
a3 = u2+cυ2 (5)
тогда имеем соотношение (x2+cy2)3 = u2+cυ2 (6), которое есть ничто иное, как уравнение (1) с n=3: a3 = b2 + cd2 (3) (см. случай n=3).
Учитывая (3') и (6), получаем:
а = x2+cy2 = α2+cβ2 (7')
u = α3-3cαβ2 (7) (7'')
υ = 3α2β-cβ3 (7''')
Учитывая формулы (10) и (11) в доказательстве Утверждения1 (x=α , y=β (8)) при нахождении решения уравнения (1) для n=3, автоматически распространим его и при нахождении решения уравнения (1) для n>3. Тогда, с учетом (5) тождество (2) принимает вид:
a4 = (xu-cyυ)2 + c(xυ+yu)2 => a4 = b2 + cd2 (9)
где
a = x2+cy2
b = xu-cyυ (10)
d = xυ+yu
Учитывая (8), (7'),…, (7'''), запишем a, b, d в системе (10) через α и β:
a = α2+cβ2
b =xu-cyυ=α(α3-3cαβ2)-cβ(3α2β-cβ3)=α4-3cα2β2-3cα2β2+c2β4 = α4-6cα2β2+c2β4
d = xυ+yu=α(3α2β-cβ3)+β(α3-3cαβ2)=3α3β-cαβ3+βα3-3cαβ3 = 4α3β-4cαβ3
Итак, уравнение (9) a4=b2+cd2 имеет следующее решение:
b = α4-6cα2β2+c2β4 (11) и соответствующее тождество:
d = 4α3β - 4cαβ3
(12) (α2+сβ2)4≡(α4-6сα2β2+с2β4)2+с(4α3β-4сαβ3)2
Пример:
при α = β = 1 и с = 2 => 34 = (1-12+4)2+2·(4-8)2 => 81 ≡ 49 + 32.
n=5
Рассуждения аналогичны.
Пусть в тождестве (2) (x2+cy2)(u2+cυ2) ≡ (xu-cyυ)2+c(xυ+yu)2
a = x2+cy2 (13)
тогда получаем соотношение:
a4 = u2+cυ2
(x2+cy2)4 = u2+cυ2 которое есть ничто иное, как уравнение (1) с n=4: (9) a4=b2+cd2) (см. случай n=4), решение которого есть система (11). Отсюда:
a =x2+cy2=α2+cβ2
u =α4-6cα2β2+c2β4 (14)
υ =4α3β-4cαβ3
С учетом (13) тождество (2) принимает вид:
a5 = (xu-cyυ)2 + c(xυ+yu)2 => a5=b2+cd2 (15)
где
a = x2+cy2
b = xu-cyυ (16)
d = xυ+yu
Учитывая (8) (x=α , y=β) и (14), запишем a,b,d в системе (16) через переменные α и β:
a = α2 + cβ2
b = xu-cyυ =α(α4-6cα2β2+c2β4)-cβ·(4α3β-4cαβ3)=
=α5-6cα3β2+αc2β4-4cα3β2+4c2αβ4 = α5-10cα3β2+5c2αβ4
d = xυ+yu =α(4α3β-4cαβ3)+β(α4-6cα2β2+c2β4)=
=4α4β-4cα2β3+α4β-6cα2β3+c2β5 = 5α4β-10cα2β3+c2β5
Итак, уравнение (15) a5=b2+cd2 имеет следующие решения:
d=5α4β-10cα2β3+c2β5 (17)
b=α5-10cα3β2+5c2αβ4
и соответствующее тождество:
(α2+cβ2)5=(α5-10cα3β2+5c2αβ4)2+c(5α4β-10cα2β3+c2β5)2 (18)
Пример:
при α=β=1 и с=2 =>
=> 35 = (1-20+20)2 +2·(5-20+4)2 = 12+2·112 => 35 = 12 +2·112= 243
n=6
Решение уравнения a6=b2+cd2 (19) находятся аналогично. Доказательство опирается на известные решения уравнения предыдущей степени, т.е. n=5. Уравнение (19) имеет следующее решение:
a = α2 + cβ2
b = α6 - 15cα4β2 + 15c2α2β4 - c3β6 (20)
d = 6α5β - 20cα3β3 + 6c2α
и соответствующее тождество:
(α2 + cβ2)6 = (α6 - 15cα4β2 + 15c2α2β4 - c3β6)2 + c(6α5β - 20cα3β3 + 6c2αβ5)2 (21)
Пример:
при α = β = 1 и c = 2 имеем:
36=(1- 30 + 60 - 8)2 + 2(6 – 40 + 24)2 =
= 232 + 2 × (-10)2 => 36 ≡ 232 + 2 × (-10)2 ≡ 725.
n=7
Аналогичные рассуждения приводят к тому, что уравнение
(22) a7 = b2 + cd2 имеет следующее решение:
a = α2 + cβ2
b = α7 - 21cα5β2+ 35c2α3β4 - 7c3αβ6 (23)
d = 7α6β - 35cα4β3 + 21c2α2β5 – c3β
а соответствующее тождество:
(24) (α2 + cβ2)7 ≡
≡(α7- 21cα5β2 + 35c2α3β4-7c3α6β7)2 +24+ c(7α6β - 35cα4β3 + 21c2α2β5 – c3β7)
Пример:
при α = β = 1 и c = 2 имеем:
37 = (1- 42 + 140 - 56)2 + 2(7 – 70 + 84 - 8)2 =
= 432 + 2×132 => 37≡ 432 + 2×132 ≡ 2187.
ІІ этап
Получение общего решения уравнения
(1) an=b2 + cd2
(Напомним, доказательство не строгое, опирается на частные случаи)
Выпишем все тождества, полученные для каждой степени
n = 2; 3; 4; 5; 6; 7;
n = 2
(α2+cβ2)2 = (α2 – cβ2)2 + c(2αβ)2
n = 3
(α2+cβ2)3 = (α3 - 3cαβ2)2+c(3α2β – cβ3)2
n = 4
(α2+cβ2)4 = (α4 - 6cα2β2+c2β4)2+c(4α3β – 4cαβ3)2
n = 5
(α2+cβ2)5 = (α5 - 10cα3β2+5c2αβ4)2+c(5α4β – 10cα2β3+c2β5)2
n = 6
(α2+cβ2)6 = (α6 - 15cα4β2+15c2α2β4-c3β6)2+c(6α5β – 20cα3β3+6c2αβ5)2
n = 7
(α2+cβ2)7 = (α7 - 21cα5β2+35c2α3β4-7c3αβ6)2+c(7α6β –
-35cα4β3+21c2α2β5-c3β7)2
Анализируя эти тождества, приходим к общему тождеству общего уравнения
an = b2 + cd2 (1) :
(α2 + cβ2)n = (αn – k3cαn-2β2 + k5c2αn-4β4 – k7c3αn-6β6 +…)2 +
+ c(nαn-1β – k4cαn-3β3 + k6c2αn-5β5 – k8c3αn-7β7)2 (25)
(α + β)n, умноженных на ±cm, где m = 0,1,2,3…,
знак «+», если m-четное,
k1 = 1 - первые два биноминальных коэффициента при αn и αn-1β.
k2 = n
Глядя на уравнение (1) и тождество (25), определяем, что решением уравнения (1) an = b2 + cd2 являются:
a = α2 + cβ2
b = αn – k3cαn-2β2 + k5c2αn-4β4 – k7c3αn-6β6 +…
d = nαn-1β – k4cαn-3β3 + k6c2αn-5β5 – k8c3αn-7β7 +…, ч.т.д.
Утверждение. ( n>1-любое натуральное)
Уравнение an = b2 + cd2 (1), где c = const, имеет следующее решение:
a = α2 + cβ2
(2) b = αn – k3cαn-2β2 + k5c2αn-4β4 – k7c3αn-6β6 +…
d = nαn-1β – k4cαn-3β3 + k6c2αn-5β5 – k8c3αn-7β7 +…,
ki – биноминальные коэффициенты степени n,
где i = 3; 4; 5; 6; 7; 8…,
k2 = n коэффициента для степени n,
n – натуральная степень (n > 1)
Общее доказательство
(Метод математической индукции)
Итак, нами доказана справедливость найденного решения (2)
уравнения (1) для степеней n = 2; 3; 4; 5; 6; 7.
Предположим, что решение (2) справедливо и для степени n–1.
Тогда, обозначив биноминальные коэффициенты для этой степени ki/n-1, где i = 1; 2; 3…, (k1/n-1 = 1, k2/n-1 = n-1), можно записать тождество:
(3) (α2 +cβ2)n-1 ≡
≡
(αn-1 – k3/n-1cαn-3β2 + k5/n-1c2αn-5β4 – k7/n-1c3αn-7β6 +…)2 +
(первая скобка)
+ c(k2/n-1αn-2β – ck4/n-1αn-4β3 + c2k6/n-1αn-6β5 – c3k8/n-1αn-8β7 + …)2 ⇒
(вторая скобка)
⇒ (α2 + cβ2)n-1 ≡ (первая скобка)2 + c(вторая скобка)2 (3')
При нахождении решений уравнения (1) для частных случаев (n = 2; 3; 4; 5; 6; 7) мы использовали соотношение:
(4) an = (xu - cyυ)2 + c(xυ + yu)2,
где n = 2; 3;…7.
x = α
y = β
a = x2 + cy2 = α2 + cβ2
(5) b = xu – cyυ = αu – cβυ
d = xυ + yu = αυ + βu
где, в свою очередь
u = (первая скобка)
υ = (вторая скобка), для n = 2; 3; 4; 5; 6; 7 в соотношении (3) (или (3'))
Аналогично рассуждая, попробуем доказать справедливость теоремы для произвольной степени n, предположив, что она справедлива для степени n – 1
Это значит, что надо исследовать решение (5) уравнения (4) (или, что тоже, уравнения (1)) для произвольной степени n.
Итак, пусть для произвольной степени n
a = α2+ cβ2 (6)
b = αu – cβυ = α(первая скобка) – cβ(вторая скобка) =
= α(αn-1-k3/n-1cαn-3β2 + k5/n-1c2αn-5β4-k7/n-1c3αn-7β6+...)
- cβ(k2/n-1αn-2β – ck4/n-1αn-4β3 + c2k6/n-1αn-6β5 –
– c3k8/n-1αn-8β7 +…) =
= (αn – ck3/n-1αn-2β2+ c2k5/n-1αn-4β4 – c3k7/n-1αn-6β6+…) +
+ (-ck2/n-1αn-2β2 + c2k4/n-1αn-4β4 – c3k6/n-1αn-6β6 +
+ c4k8/n-1αn-8β8-…) =
= αn – c(k2/n-1 + k3/n-1)αn-2β2 + c2(k4/n-1 + k5/n-1) +
+ αn-4β4- c3(k6/n-1 + k7/n-1)αn-6β6 +…=
= αn- ck3αn-2β2 + c2k5αn-4β4-c3k7αn-6β6 +….
b = αn- ck3αn-2β2 + c2k5αn-4β4-c3k7αn-6β6 +… (7)
где (8) kί = kί-1/n-1 + kί/n-1 – биноминальные коэффициенты для степени n;
ί = 3;5;7;…;
k1 = 1 – первый биноминальный
коэффициент при αn в (7);
kί-1/n-1 и kί/n-1 – два биноминальных последовательных
коэффициента для степени n – 1.
Соотношение (8) - это одно из свойств биноминальных коэффициентов в «Треугольнике Паскаля»:
Каждый из биноминальных коэффициентов равен сумме двух биноминальных коэффициентов, стоящих над ним.
«Треугольник Паскаля»
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
Теперь найдем выражение для d:
d = αυ + βu = α(вторая скобка) + β(первая скобка) =
= α(k2/n-1αn-2β – ck4/n-1αn-4β3 + c2k6/n-1αn-6β5 –
– c3k8/n-1αn-8β7 +…) +
+ β(αn-1-ck3/n-1cαn-3β2 + k5/n-1c2αn-5β4-k7/n-1c3αn-7β6+...) =
= k2/n-1αn-1β – ck4/n-1αn-3β3 + c2k6/n-1αn-5β5 –
– c3k8/n-1αn-7β7 +…+ αn-1β – ck3/n-1αn-3β3 + c2k5/n-1αn-5β5 –
– c3k7/n-1αn-7β7 +…=
= (1 + k2/n-1) αn-1β – c(k3/n-1 + k4/n-1) αn-3β3 + c2(k5/n-1 + k6/n-1) αn-5β5 – c3(k7/n-1 + k8/n-1) αn-7β7 +…=
= k2αn-1β – ck4αn-3β3 + c2k6αn-5β5 – c3k8αn-7β7 +….
d = k2αn-1β – ck4αn-3β3 + c2k6αn-5β5 – c3k8αn-7β7 +… (9),
где (8) kί = kί-1/n-1 + kί/n-1 - – биноминальные коэффициенты для степени n; (вышеупомянутое свойство
биноминальных коэффициентов(8));
ί = 2;4;6;8;…;
k2 = n - второй биноминальный
коэффициент для степени n;
kί-1/n-1 и kί/n-1 – два биноминальных последовательных коэффициента для степени n – 1.
Итак, учитывая (5), (6), (7), (9), уравнение (4) принимает вид:
an = b2 + cd2 (1), где
a = α2 + cβ2
b = αn – c k3αn-2β2 + c2k5αn-4β4 – c3k7αn-6β6 +…
d = nαn-1β – c k4αn-3β3 + c2k6αn-5β5 – c3k8αn-7β7 +…,
являются решениями уравнения (1) при c = const;
ki – биноминальный коэффициент степени n;
i = 3; 4; 5; 6; 7; 8…;
k1 = 1, k2 = n, n > 1 - натуральная степень.
Утверждение доказано.
Скворцов Александр Петрович, учитель, ветеран педагогического труда;
г. Колпашево Томской области, август 2009.
Первая задача рецензирована в 1996 г. доктором физико математических наук.
Все три задачи чуть позже рецензированы томским специалистом математиком Тимошенко Е. (к сожалению, ни имени, ни отчества его я не знаю), которого для этой цели по моей просьбе нашел ректор ТПУ Похолков Юрий Петрович, за что я им всем очень и очень благодарен.
Отзыв специалистов о моей работе неплохой. Вот выдержка из «Рецензии на работу Скворцова А.П. «Несколько задач, теорем и утверждений по теории чисел»» Тимошенко Е.: «В данной работе особый интерес представляют доказательства неразрешимости в рациональных ненулевых числах уравнения р1 + р2 = р3 , где р1* р2 * р3 = R3, где R – рациональное число (Задача 1. Автор), и неразрешимости в рациональных ненулевых числах системы
, 
(Задача 2. Автор).
Автор указывает довольно широкое семейство решений уравнения an=b2+cd2 (1), зависящее от двух параметров
и 
(Задача 3. Автор). Так, для уравнения (2) a3 = b2 + cd2 приводится решение а = α2 + cβ2 , b = α3 - 3cαβ2, d = 3α2β - cβ3 (3).
К сожалению, остается недоказанным, что это решение – общее, т.е. не ясно, любое ли решение уравнения (2) может быть представлено в виде (3). То же самое можно сказать и о решении уравнения (1). … ». К сожалению, этот вопрос для меня до сих пор остается открытым. Хотя, если мое мнение кого-то интересует, интуиция мне подсказывает, что найденное мною решение уравнения (1) - единственное. Однако я хорошо понимаю, что интуиция – это еще не факт.
Думаю, что специалистам данная Задача 3 и ее доказательство известны. Однако лично мне она на глаза не попадалась. В дальнейшем в одной из очередных работ результаты этой задачи мне очень пригодились.
Что касается первых двух задач, то они мне тоже нравятся, и, думаю, могут вызвать интерес не только у специалистов, но и у студентов и школьников на факультативных занятиях.
А.П. Скворцов.
(первая скобка)
(вторая скобка)
⇒ (α2 + cβ2)n-1 ≡ (первая скобка)2 + c(вторая скобка)2 (3')
При нахождении решений уравнения (1) для частных случаев (n = 2; 3; 4; 5; 6; 7) мы использовали соотношение:
(4) an = (xu - cyυ)2 + c(xυ + yu)2,
где n = 2; 3;…7.
x = α
y = β
(5) b = xu – cyυ = αu – cβυ
d = xυ + yu = αυ + βu
где, в свою очередь
u = (первая скобка)
υ = (вторая скобка), для n = 2; 3; 4; 5; 6; 7 в соотношении (3) (или (3'))
Аналогично рассуждая, попробуем доказать справедливость теоремы для произвольной степени n, предположив, что она справедлива для степени n – 1
Это значит, что надо исследовать решение (5) уравнения (4) (или, что тоже, уравнения (1)) для произвольной степени n.
Итак, пусть для произвольной степени n
a = α2+ cβ2 (6)
b = αu – cβυ = α(первая скобка) – cβ(вторая скобка) =
= α(αn-1-k3/n-1cαn-3β2 + k5/n-1c2αn-5β4-k7/n-1c3αn-7β6+...)
- cβ(k2/n-1αn-2β – ck4/n-1αn-4β3 + c2k6/n-1αn-6β5 –
– c3k8/n-1αn-8β7 +…) =
= (αn – ck3/n-1αn-2β2+ c2k5/n-1αn-4β4 – c3k7/n-1αn-6β6+…) +
+ (-ck2/n-1αn-2β2 + c2k4/n-1αn-4β4 – c3k6/n-1αn-6β6 +
+ c4k8/n-1αn-8β8-…) =
= αn – c(k2/n-1 + k3/n-1)αn-2β2 + c2(k4/n-1 + k5/n-1) +
+ αn-4β4- c3(k6/n-1 + k7/n-1)αn-6β6 +…=
= αn- ck3αn-2β2 + c2k5αn-4β4-c3k7αn-6β6 +….
где (8) kί = kί-1/n-1 + kί/n-1 – биноминальные коэффициенты для степени n;
ί = 3;5;7;…;
k1 = 1 – первый биноминальный
коэффициент при αn в (7);
kί-1/n-1 и kί/n-1 – два биноминальных последовательных
коэффициента для степени n – 1.
Соотношение (8) - это одно из свойств биноминальных коэффициентов в «Треугольнике Паскаля»:
Каждый из биноминальных коэффициентов равен сумме двух биноминальных коэффициентов, стоящих над ним.
«Треугольник Паскаля»
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
Теперь найдем выражение для d:
d = αυ + βu = α(вторая скобка) + β(первая скобка) =
= α(k2/n-1αn-2β – ck4/n-1αn-4β3 + c2k6/n-1αn-6β5 –
– c3k8/n-1αn-8β7 +…) +
+ β(αn-1-ck3/n-1cαn-3β2 + k5/n-1c2αn-5β4-k7/n-1c3αn-7β6+...) =
= k2/n-1αn-1β – ck4/n-1αn-3β3 + c2k6/n-1αn-5β5 –
– c3k8/n-1αn-7β7 +…+ αn-1β – ck3/n-1αn-3β3 + c2k5/n-1αn-5β5 –
– c3k7/n-1αn-7β7 +…=
= (1 + k2/n-1) αn-1β – c(k3/n-1 + k4/n-1) αn-3β3 + c2(k5/n-1 + k6/n-1) αn-5β5 – c3(k7/n-1 + k8/n-1) αn-7β7 +…=
= k2αn-1β – ck4αn-3β3 + c2k6αn-5β5 – c3k8αn-7β7 +….
где (8) kί = kί-1/n-1 + kί/n-1 - – биноминальные коэффициенты для степени n; (вышеупомянутое свойство
биноминальных коэффициентов(8));
ί = 2;4;6;8;…;
k2 = n - второй биноминальный
коэффициент для степени n;
kί-1/n-1 и kί/n-1 – два биноминальных последовательных коэффициента для степени n – 1.
Итак, учитывая (5), (6), (7), (9), уравнение (4) принимает вид:
an = b2 + cd2 (1), где
a = α2 + cβ2
b = αn – c k3αn-2β2 + c2k5αn-4β4 – c3k7αn-6β6 +…
d = nαn-1β – c k4αn-3β3 + c2k6αn-5β5 – c3k8αn-7β7 +…,
являются решениями уравнения (1) при c = const;
ki – биноминальный коэффициент степени n;
i = 3; 4; 5; 6; 7; 8…;
k1 = 1, k2 = n, n > 1 - натуральная степень.
Утверждение доказано.
Скворцов Александр Петрович, учитель, ветеран педагогического труда;
г. Колпашево Томской области, август 2009.
Первая задача рецензирована в 1996 г. доктором физико математических наук.
Все три задачи чуть позже рецензированы томским специалистом математиком Тимошенко Е. (к сожалению, ни имени, ни отчества его я не знаю), которого для этой цели по моей просьбе нашел ректор ТПУ Похолков Юрий Петрович, за что я им всем очень и очень благодарен.
Отзыв специалистов о моей работе неплохой. Вот выдержка из «Рецензии на работу Скворцова А.П. «Несколько задач, теорем и утверждений по теории чисел»» Тимошенко Е.: «В данной работе особый интерес представляют доказательства неразрешимости в рациональных ненулевых числах уравнения р1 + р2 = р3 , где р1* р2 * р3 = R3, где R – рациональное число (Задача 1. Автор), и неразрешимости в рациональных ненулевых числах системы
Автор указывает довольно широкое семейство решений уравнения an=b2+cd2 (1), зависящее от двух параметров
К сожалению, остается недоказанным, что это решение – общее, т.е. не ясно, любое ли решение уравнения (2) может быть представлено в виде (3). То же самое можно сказать и о решении уравнения (1). … ». К сожалению, этот вопрос для меня до сих пор остается открытым. Хотя, если мое мнение кого-то интересует, интуиция мне подсказывает, что найденное мною решение уравнения (1) - единственное. Однако я хорошо понимаю, что интуиция – это еще не факт.
Думаю, что специалистам данная Задача 3 и ее доказательство известны. Однако лично мне она на глаза не попадалась. В дальнейшем в одной из очередных работ результаты этой задачи мне очень пригодились.
Что касается первых двух задач, то они мне тоже нравятся, и, думаю, могут вызвать интерес не только у специалистов, но и у студентов и школьников на факультативных занятиях.
А.П. Скворцов.
