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      談?wù)劜欢ǚ匠蘹y=ypx(x,y∈N,x≥2,y≥2,p是已知的質(zhì)數(shù))的解法

      2021-08-05 09:52:28甘志國
      數(shù)理化解題研究 2021年10期
      關(guān)鍵詞:組數(shù)梅森質(zhì)數(shù)

      甘志國

      (北京豐臺二中 100071)

      題目(1948年莫斯科數(shù)學(xué)奧林匹克試題)解不定方程.

      xy=yx(x,y∈N*,x≠y)

      文獻(xiàn)[1]證得了該題的答案是

      (x,y)=(2,4),(4,2).

      下面談?wù)勁c不定方程①類似的四個不定方程

      xy=pyx(x,y∈N*,p是質(zhì)數(shù))

      xy=ypx(x,y∈N,x≥2,y≥2,p是已知的質(zhì)數(shù))

      xy=ypx(x,y∈Q+,p是已知的質(zhì)數(shù))

      uu=vpy(u,v∈Q+,p是已知的質(zhì)數(shù))

      的解法,其中重點是③的解法.

      定理1 方程②的解是(x,y)=(p,1).

      證明若y=1,則x=p.

      由xy=pyx,可得p|xy,p|x.若y≥2,再由xy=pyx,可得p|y.因而可設(shè)x=pαa,y=pβb(α,β,a,b∈N*,p不整除a也不整除b),得

      (pαa)pβb=p(pβb)pαa

      由該等式兩邊p的指數(shù)相等,可得αpβb=βpαa+1,p|1,這不可能!所以欲證結(jié)論成立.

      引理若n∈N*,則2n≥n+1(當(dāng)且僅當(dāng)n=1時取等號).

      證明用數(shù)學(xué)歸納法、導(dǎo)數(shù)、二項式定理、或貝努利(Bernoulli)不等式均可獲證,具體過程略去.

      定理2 方程③的解(x,y)滿足x|y(可設(shè)y=ax(a∈N*)),且

      xa-p=ap(x,a-p∈N*,a≥2,x≥2,p是已知的質(zhì)數(shù))

      證明設(shè)(x,y)=d(d∈N*),可再設(shè)x=bd,y=ad(a,b,d∈N*),(a,b)=1.再由xy=ypx,可得

      bada=apbdpb

      若a=pb,由⑦可得a=b,所以a=pb=b,p=1,與p是質(zhì)數(shù)矛盾!說明此時不成立.

      若a0,所以d=1,因而x=bd=1,與題設(shè)x≥2矛盾!所以b≥2,d≥2,再由引理可得b=dpb-1≥22b-1>2b,這不可能!說明此時不成立.

      所以a>pb,由⑦可得bada-pb=apb.再由(a,b)=1,可得b=1,所以x=d,y=ad=ax(a∈N*),進(jìn)而可得欲證結(jié)論成立.

      猜想1方程③解的組數(shù)有限.

      定理3 在方程③中:

      (1)若x是質(zhì)數(shù),則(p,x,y)=(2,2,16),(3,3,27);

      (2)若x=q2(q是質(zhì)數(shù)),則(p,x,y)=(2,4,16),(2,9,27);

      (3)若x=qi(q是質(zhì)數(shù),i=3或4),則方程③均無解;

      (4)若x=q5(q是質(zhì)數(shù)),則(p,x,y)=(5,32,256);

      (5)若x是兩個互異質(zhì)數(shù)之積,則p是奇質(zhì)數(shù)且(x,y)=(2p,4p2);

      (6)若x=12或18,則方程③均無解.

      證明(1)由定理2知,可設(shè)y=ax(a∈N*).

      在方程⑥中可設(shè)a=xα(α∈N*),得方程⑥即xxα-p=xpα,xα-p=pα,所以p=x,pα-1=α+1(α≥2),進(jìn)而可得(p,α)=(2,3),(3,2),從而可得欲證結(jié)論成立.

      (2)~(6)略.

      注由定理3可知,當(dāng)x=2,3,4,…,23時,已求得方程③的解.

      若α=2,可得(β,p)=(2,2)或(1,3),進(jìn)而可得(p,x,y)=(2,4,16)或(3,3,27).

      因而β1=k=α=1,p1=2,得式⑧即(2pβ)2α1-1=2α1p(p是奇質(zhì)數(shù)),可得α1=β=1,再得a=x=2p,y=ax=4p2(p是奇質(zhì)數(shù)).

      綜上所述,可得欲證結(jié)論成立.

      定理5 (1)(p,x,y)=(2,9,27),(3,64,256)均是方程③的解;

      (2)若p=q2-2(p,q均是質(zhì)數(shù)),則(x,y)=(qp,qp+2)是方程③的解;

      (3)若p=2q-1(q∈N*)是質(zhì)數(shù)(可得q是質(zhì)數(shù)),則(x,y)=(2q(2q-1),2q·2q)是方程③的解;

      (4)若p=2n-n(n∈N*)是質(zhì)數(shù),則(x,y)=(22n-n,22n)是方程③的解.

      證明略.

      猜想2(1)方程p=q2-2(p,q均是質(zhì)數(shù))的解的組數(shù)無限(可驗證它有解p=q2-2(p,q)=(7,3),(23,5),(47,7),(167,13),(359,19),(839,29));

      (2)形如2q-1(q∈N*)的質(zhì)數(shù)(叫做梅森質(zhì)數(shù))個數(shù)無限(近年人們借助電腦尋找到的最大質(zhì)數(shù)都是梅森質(zhì)數(shù),且只發(fā)現(xiàn)了51個梅森質(zhì)數(shù).2018年12月,人們發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大的質(zhì)數(shù)282589933-1);

      (3)形如2n-n(n∈N*)的質(zhì)數(shù)個數(shù)無限(當(dāng)n=2,3,9時,2n-n均是質(zhì)數(shù)).

      證明略.

      注定理3,4,5均給出了方程④的部分解;再由定理6可給出方程⑤的部分解.

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