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一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 16:45
(ヅ)
上次那个x/(y+z) +y/(z+x) +z/(x+y) =4是难度很大,换一个试试


求解出所有的p^x - y^p = 1, x, y, p >0整数,p 为质数

请找出所有解

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 17:19
YWY
3^2 - 2^3 = 1。还有没有别的,我就不知道了,大家接着找。

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 20:05
verdelite
YWY 写了: 2023年 1月 25日 17:19 3^2 - 2^3 = 1。还有没有别的,我就不知道了,大家接着找。
2^1-1^2=1

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 20:28
verdelite
这个最适合python。我试了试,x从1到400,y从1到400,p为100之内的质数,只找到上面两组解。

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 22:40
(ヅ)
YWY 写了: 2023年 1月 25日 17:19 3^2 - 2^3 = 1。还有没有别的,我就不知道了,大家接着找。
这个题目比我之前想的难,要用到catalan猜想的结果

https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan%27s_conjecture

可以把这个结果当做已知结论

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 23:12
YWY
(ヅ) 写了: 2023年 1月 25日 16:45 求解出所有的p^x - y^p = 1, x, y, p >0整数,p 为质数

请找出所有解
verdelite 写了: 2023年 1月 25日 20:052^1-1^2=1
(ヅ) 写了: 2023年 1月 25日 22:40 这个题目比我之前想的难,要用到catalan猜想的结果

https://en.wikipedia.org/wiki/Catalan%27s_conjecture

可以把这个结果当做已知结论
要是承认catalan猜想的话,那一楼问题里,不被catalan猜想包含的情况只剩下x=1,所以我们只需额外考虑“p - y^p = 1, y, p >0整数,p 为质数”的情况。当y=1时,得到2^1 - 1^2 = 1的情况。当y > 1时,p = y^p + 1不可能成立,因为2^p > p。

我觉得不需要承认catalan猜想也能证出来,但可能会需要很多推导。

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 25日 23:15
Caravel
基本⬆️题目里面有素数的题目就不好搞,我看着就走

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 26日 00:36
YWY
(ヅ) 写了: 2023年 1月 25日 16:45 上次那个x/(y+z) +y/(z+x) +z/(x+y) =4是难度很大,换一个试试

求解出所有的p^x - y^p = 1, x, y, p >0整数,p 为质数

请找出所有解
When p = 2 and x = 1, y = 1 is the only solution. When p = 2 and x > 1, there is no way for 2^x = y^2 = 1 to hold because in this case 2^x - 1 = 3 mod 4 but y^2 is never 3 mod 4.

It remains to consider the case where p is an odd prime (p > 2). Then p^x - y^p = 1 --> y^p = -1 mod p --> y = -1 mod p --> y = kp - 1 where k > 0. Rewrite the equation as (kp - 1)^p + 1 = p^x. Since k divides (kp - 1)^p + 1, we see k divides p^x, so k is a power of p (including p^0). So y = kp - 1 = p^n - 1 with n > 0. So the equation becomes p^x = (p^n - 1)^p + 1. By binomial expansion, we get
p^x = (p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n) - 1 + 1, which simplifies to
p^x = (p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n), with all the binomial coefficients divisible by p (enough to know they are all integers). So we get
p^x = p*p^n*t where t = [(p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n)] /(p*p^n). If we compute t as a quotient term by term (via formula (a + b)/c = a/c + b/c), we see that t is not divisible by p (in fact t = 1 mod p). But t divides p^x. So t must be 1. Hence p^x = p* p^n. Now the equation becomes
p*p^n = (p^n - 1)^p + 1. Let z := p^n, which is at least p, which is at least 3. Using calculus, we see that the function
f(z) := (z - 1)^p + 1 - z*p is strictly increasing in the interval from z = 3 to infinity. When z = 3, the function
g(p) := (3 - 1)^p + 1 - 3p is strictly increasing in the from p = 3 to infinity, with g(3) = 0. Thus the equation
p*p^n = (p^n - 1)^p + 1, with p at least 3 and n at least 1,
holds only when p = 3. This corresponds to the case 3^2 = 2^3 + 1, which is only solution when p is an odd prime.

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 26日 11:37
(ヅ)
YWY 写了: 2023年 1月 26日 00:36 When p = 2 and x = 1, y = 1 is the only solution. When p = 2 and x > 1, there is no way for 2^x = y^2 = 1 to hold because in this case 2^x - 1 = 3 mod 4 but y^2 is never 3 mod 4.

It remains to consider the case where p is an odd prime (p > 2). Then p^x - y^p = 1 --> y^p = -1 mod p --> y = -1 mod p --> y = kp - 1 where k > 0. Rewrite the equation as (kp - 1)^p + 1 = p^x. Since k divides (kp - 1)^p + 1, we see k divides p^x, so k is a power of p (including p^0). So y = kp - 1 = p^n - 1 with n > 0. So the equation becomes p^x = (p^n - 1)^p + 1. By binomial expansion, we get
p^x = (p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n) - 1 + 1, which simplifies to
p^x = (p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n), with all the binomial coefficients divisible by p (enough to know they are all integers). So we get
p^x = p*p^n*t where t = [(p^n)^p - p*(p^n)^{p-1} + ... + p*(p^n)] /(p*p^n). If we compute t as a quotient term by term (via formula (a + b)/c = a/c + b/c), we see that t is not divisible by p (in fact t = 1 mod p). But t divides p^x. So t must be 1. Hence p^x = p* p^n. Now the equation becomes
p*p^n = (p^n - 1)^p + 1. Let z := p^n, which is at least p, which is at least 3. Using calculus, we see that the function
f(z) := (z - 1)^p + 1 - z*p is strictly increasing in the interval from z = 3 to infinity. When z = 3, the function
g(p) := (3 - 1)^p + 1 - 3p is strictly increasing in the from p = 3 to infinity, with g(3) = 0. Thus the equation
p*p^n = (p^n - 1)^p + 1, with p at least 3 and n at least 1,
holds only when p = 3. This corresponds to the case 3^2 = 2^3 + 1, which is only solution when p is an odd prime.
对于" t must be 1"有疑问

我自己算过程差不多,p^x不是随机项,而是特定的值,所以不能轻易的消掉,我卡在这一步了.

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 26日 15:18
YWY
(ヅ) 写了: 2023年 1月 26日 11:37 对于" t must be 1"有疑问

我自己算过程差不多,p^x不是随机项,而是特定的值,所以不能轻易的消掉,我卡在这一步了.
Note that t = [(p^n)^p - c_1p*(p^n)^{p-1} + ... - c_{p-2}(p^n)^2+ p*(p^n)] /(p*p^n) where c_i is the "p choose i". Observe that p divides c_i for all i = 1, 2, ..., p-1 and c_{p-1} = p. Thus, as p divides c_{p-2}, n > 0 and p > 2, we see that p^2*p^n divides [(p^n)^p - c_1p*(p^n)^{p-1} + ... - c_{p-2}(p^n)^2]. This shows that t is a positive integer and t = 1 mod p. Since t divides p^x, we conclude that t = 1.

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 27日 17:02
FoxMe
YWY 写了: 2023年 1月 25日 23:12 要是承认catalan猜想的话,那一楼问题里,不被catalan猜想包含的情况只剩下x=1,所以我们只需额外考虑“p - y^p = 1, y, p >0整数,p 为质数”的情况。当y=1时,得到2^1 - 1^2 = 1的情况。当y > 1时,p = y^p + 1不可能成立,因为2^p > p。

我觉得不需要承认catalan猜想也能证出来,但可能会需要很多推导。
什么意思?catalan猜想已经被证明了。

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 27日 17:11
YWY
FoxMe 写了: 2023年 1月 27日 17:02 什么意思?catalan猜想已经被证明了。
没有吧。我们在楼上说的是,承认catalan猜想(的正确性)的话,一楼的问题可以很容易解决。

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 27日 17:13
FoxMe
Catalan's conjecture (or Mihăilescu's theorem) is a theorem in number theory that was conjectured by the mathematician Eugène Charles Catalan in 1844 and proven in 2002 by Preda Mihăilescu at Paderborn University.

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 27日 17:16
TheMatrix
FoxMe 写了: 2023年 1月 27日 17:13 Catalan's conjecture (or Mihăilescu's theorem) is a theorem in number theory that was conjectured by the mathematician Eugène Charles Catalan in 1844 and proven in 2002 by Preda Mihăilescu at Paderborn University.
没发一个Fields给他?

Re: 一个中等难度题目

发表于 : 2023年 1月 27日 17:24
YWY
FoxMe 写了: 2023年 1月 27日 17:13 Catalan's conjecture (or Mihăilescu's theorem) is a theorem in number theory that was conjectured by the mathematician Eugène Charles Catalan in 1844 and proven in 2002 by Preda Mihăilescu at Paderborn University.
哈哈,看来我看帖不仔细,我当时就看了眼catalan猜想的表述,没读维基上的其他内容。

但无论如何,能给出不依赖于catalan猜想的初等证明,也是索南的乐趣所在。