一个有理不定方程问题

今天的题目如下:

来自App“爱数学爱打卡”.jpeg

首先可以看出来
x=y
x=4, y=2
是两组解,但是应该不止这么多吧。这个形式虽然很优雅对称,但是实际上太不好处理了,我们变换一下形式。

问题转化

k = \frac{x}{y},则原方程化为:
ky = y^k
且依然是寻找正有理数解。
这就好办多了,为啥呢,因为给定k,若k为1,则y可取任意有理数,若k不为1,则y的正数解为:
y = k^{\frac{1}{k-1}}
因此我们只需要探讨k取哪些不为1的正有理数时,y也为有理数。

问题解决

设:
k = \frac{q+p}{q}, (p,q)=1, q+p,q \in Z^+, p \ne 0
则:
y = (\frac{q+p}{q})^{\frac{q}{p}}
显然,y的分子分母都要是某个整数的|p|次方才行。设:
q+p=r^p
q=l^p

p为正数

p为正数时,r>=l+1,因此:
p = q+p - q = r^p - l^p = (r-l)(r^{p-1}+r^{p-2}l+......+l^{p-1}) \geq pl^{p-1} \geq p
夹逼的形式表明:
p = pl^{p-1}
因此l=1p=1。若l=1,则q=1。因此p,q至少有一个为1。
p为1,则:
y = (\frac{q+1}{q})^q是一族正有理数解
q为1,则:
y = (p+1)^{\frac{1}{p}}
显然只有p等于1时才是有理数,此时回到了p为1的情况。

p为负数

类似可得:
y = (\frac{q+1}{q})^q

结论

综上,原不定方程的所有正整数的解为:
x=y以及,
x=(\frac{q+1}{q})^{q+1},y=(\frac{q+1}{q})^q,q \in Z^+

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