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/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / sci / math / 16761 < prev    next >
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Text File  |  1992-12-12  |  4.3 KB  |  95 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!utcsri!utmath!hsieh
  3. From: hsieh@math.toronto.edu (Paul Hsieh)
  4. Subject: Re: A Problem
  5. Message-ID: <1992Dec12.100258.26361@math.toronto.edu>
  6. Organization: Department of Mathematics, University of Toronto
  7. References: <1992Dec11.035049.25067@math.toronto.edu> <Bz3uyJ.5ny@andy.bgsu.edu> <Bz46J8.8s4@andy.bgsu.edu>
  8. Date: Sat, 12 Dec 92 10:02:58 GMT
  9. Lines: 84
  10.  
  11. In article <Bz46J8.8s4@andy.bgsu.edu> steiner@andy.bgsu.edu (Ray Steiner) writes:
  12. >steiner@andy.bgsu.edu (Ray Steiner) writes:
  13. >
  14. >>hsieh@math.toronto.edu (Paul Hsieh) writes:
  15. >
  16. >>>(Alexander Burshteyn) writes:
  17. >>>>Here is a nice problem, which was given, I believe, at the International High
  18. >>>>School Student Olympiad in Australia (I'm not sure about the exact title of the
  19. >>>>the competition, though).
  20. >>>>
  21. >>>>Prove that if, for some non-negative integers A and B, we have that
  22. >>>>(A^2 + B^2) / ( 1 + AB)  is an integer, then it is a square of an integer.
  23. >>>>
  24. >>>>Enjoy,
  25. >>>>
  26. >>>>Alex Burshteyn.
  27. >
  28. >
  29. >>>Actually, this appeared on an IMO question a few years ago.  Just for fun some
  30. >>>of us at U(T) tried solving the question from scratch (without looking up the
  31. >>>solution somewhere).  But we cheated by running a computer program for ages to
  32. >>>find examples.  We quickly came to the conjecture that the only possible (a,b)
  33. >>>was (p,p^3), but this is shot down by the example (30,8).  But after further
  34. >>>examimation of the data, Ed Dolittle saw the following:
  35. >>>If (a,b,k) is a solution where, (a^2+b^2)/(1+a*b)=k, and a,b,k are non-negative
  36. >>>integers, with a>=b, then so is (|a-k*b|,b,k).  Using this observation we see
  37. >>>that if (a,b,k) is a solution then we can find a different solution (c,d,k)
  38. >>>with c<=a, d<=b.  Applying this succesively we find that eventually one of
  39. >>>a or b will become 0 => k = a^2 or k=b^2.  (Note that throughout, k does not
  40. >>>change which is the important point of the procedure).  QED.
  41. >>>Now, I enjoy doing problems as much as the next guy, but the question I have,
  42. >>>is:  How in the heck is someone supposed to see this under contest conditions?
  43. >>>If you tried to find examples by hand, you'd be hard pressed, as there are
  44. >>>no non-trivial (meaning (p,p^3)-type examples) examples which are small,
  45. >>>besides (30,8).  And seeing that reducing step, in my mind, is not at all
  46. >>>obvious without looking at some examples.  My recollection is that very few
  47. >>>people got this question when it appeared at the IMO and I am surprised that
  48. >>>anyone did!  Hats off to those that did.  Anyways, that's about enough
  49. >>>bandwidth for me,
  50. >
  51. >>>Paul Hsieh
  52. >
  53. >>But, aren't we getting away from the original problem here?
  54. >>Neither this reply nor the previous one solves the ORIGINAL
  55. >>problem! The infinite descent argument indeed proves that
  56. >>a(or b) must eventually be zero, but ignores all other possible
  57. >>values of a and b. The division argument given in another
  58. >>post is also wrong, because of the solution (30,8). I tried
  59. >>solving the problem by computing the discriminant of the quadratic
  60. >>a^2-kab+(b^2-k)=0 and noting that it must be a square, but
  61. >>this didn't lead anywhere either! Surely,  the examiners
  62. >>who set this question must have had a simpler idea in mind!
  63. >>Ray Steiner
  64. >
  65. >>-- 
  66. >>steiner@andy.bgsu.edu
  67. >
  68. >Oops: Repost: My idea does lead somewhere after all!
  69. >If the discriminant of the quadratic above = c^2, then we
  70. >get 
  71. >c^2-(k^2-4)b^2= 4k.
  72. >If k is a square, k^2-4 isn't, so if k is a square we get 
  73. >infinitely many solutions! Just replace 4k by 1, solve the
  74. >basic Pell equation and then multiply each of c and b by 2\sqrt(k).
  75. >So now the problem is to show: If k is not a square this
  76. >equation has no integer solutions. If k is not a square mod 5
  77. >this is easy! But how does one prove this in general???
  78. >Ray Steiner
  79. >
  80. >-- 
  81. >steiner@andy.bgsu.edu
  82.  
  83. Excuse me!  But my post _IS_ a solution to the problem.  Perhaps I did not
  84. make it entirely clear.  Let me try again:  Let f(a,b)=(a^2+b^2)/(1+a*b).
  85. Now if k=f(a,b), where k, a, b are integers then there exists c,d such that
  86. k=f(c,d) and |c|<=a, and |d|<=b, by my comments above.  Notice that k has
  87. remained the same in the reduction step.  Then, by applying this reduction
  88. successively you will reduce one to 0.  I.e., k=f(e,0) for some e.  Plugging
  89. this back into the original formula we see: k = e^2.  Therefore, any integers
  90. a,b,k satisfying k=f(a,b) will require k to be a perfect square.
  91.  
  92. Q.E.D.
  93.  
  94. Paul Hsieh
  95.