IMO 1982 · Problem 4
Prove that if \(n\) is a positive integer such that the equation \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] has a solution in integers \((x,y)\), then it has at least three such solutions. Show that the equation has no solutions in integers when \(n=2891\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Put \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\). Direct expansion gives \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] Thus the transformation \(T(x,y)=(-y,x-y)\) preserves every solution. Moreover, \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] Consequently, from any integer solution we obtain the three integer solutions \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
These are distinct. Indeed, since \(T^3\) is the identity, any equality between two of these pairs implies \(T(x,y)=(x,y)\). This gives \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] so \(3y=0\), and hence \(x=y=0\). But this would give \(n=0\), contrary to \(n>0\). This proves the first assertion.
For the second assertion, we show that \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{and}\ 7\mid y. \] Suppose first that \(7\nmid y\). Dividing the congruence \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) by \(y^3\), and writing \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\), gives \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] However, checking all residue classes gives \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] so this congruence is impossible. Therefore \(7\mid y\). The original congruence then reduces to \(x^3\equiv0\pmod7\), which implies \(7\mid x\), proving the implication.
Now suppose \(F(x,y)=2891\). Since \[ 2891=7^2\cdot59, \] the implication above gives \(x=7a\) and \(y=7b\) for integers \(a,b\). Hence \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] which would make \(2891\) divisible by \(7^3\). This contradicts \(2891=7^2\cdot59\), since \(7\nmid59\). Thus there are no integer solutions when \(n=2891\).
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1982 · Aufgabe 4
Beweise: Ist \(n\) eine positive ganze Zahl, für die die Gleichung \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] eine Lösung in ganzen Zahlen \((x,y)\) besitzt, so besitzt sie mindestens drei solche Lösungen. Zeige, dass die Gleichung für \(n=2891\) keine Lösungen in ganzen Zahlen besitzt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Setze \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\). Direktes Ausmultiplizieren ergibt \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] Somit führt die Abbildung \(T(x,y)=(-y,x-y)\) jede Lösung wieder in eine Lösung über. Außerdem gilt \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] Folglich erhalten wir aus jeder ganzzahligen Lösung die drei ganzzahligen Lösungen \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
Diese sind verschieden. Da \(T^3\) die identische Abbildung ist, folgt nämlich aus jeder Gleichheit zweier dieser Paare, dass \(T(x,y)=(x,y)\). Daraus ergibt sich \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] also \(3y=0\) und damit \(x=y=0\). Dies würde jedoch \(n=0\) ergeben, im Widerspruch zu \(n>0\). Damit ist die erste Behauptung bewiesen.
Für die zweite Behauptung zeigen wir, dass \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{und}\ 7\mid y. \] Nehmen wir zunächst an, dass \(7\nmid y\). Dividieren wir die Kongruenz \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) durch \(y^3\) und setzen \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\), so erhalten wir \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] Die Überprüfung aller Restklassen ergibt jedoch \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] und somit ist diese Kongruenz unmöglich. Daher gilt \(7\mid y\). Die ursprüngliche Kongruenz vereinfacht sich dann zu \(x^3\equiv0\pmod7\), woraus \(7\mid x\) folgt; damit ist die Implikation bewiesen.
Nehmen wir nun an, dass \(F(x,y)=2891\). Wegen \[ 2891=7^2\cdot59, \] ergibt die obige Implikation \(x=7a\) und \(y=7b\) für ganze Zahlen \(a,b\). Daher gilt \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] also wäre \(2891\) durch \(7^3\) teilbar. Dies widerspricht \(2891=7^2\cdot59\), da \(7\nmid59\). Somit gibt es für \(n=2891\) keine ganzzahligen Lösungen.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1982 · Soru 4
\(n\) pozitif bir tam sayı olmak üzere, \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] denkleminin tam sayılarda bir \((x,y)\) çözümü varsa, en az üç böyle çözümü olduğunu kanıtlayınız. \(n=2891\) olduğunda denklemin tam sayılarda çözümü olmadığını gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\) olsun. Doğrudan açılım yapılarak \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y) \] elde edilir. Böylece \(T(x,y)=(-y,x-y)\) dönüşümü her çözümü yine bir çözüme götürür. Ayrıca, \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] Dolayısıyla, herhangi bir tam sayı çözümünden \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x) \] tam sayı çözümlerini elde ederiz.
Bu çözümler birbirinden farklıdır. Gerçekten de, \(T^3\) birim dönüşüm olduğundan, bu ikililerden herhangi ikisinin eşit olması \(T(x,y)=(x,y)\) eşitliğini gerektirir. Buradan \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] elde edilir; dolayısıyla \(3y=0\) ve buradan da \(x=y=0\) olur. Ancak bu durumda \(n=0\) olur ki bu, \(n>0\) koşuluyla çelişir. Böylece ilk iddia kanıtlanmış olur.
İkinci iddia için \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{ve}\ 7\mid y \] önermesini göstereceğiz. Önce \(7\nmid y\) olduğunu varsayalım. \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) denkliğini \(y^3\) ile bölüp \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\) yazarak \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7 \] elde ederiz. Ancak tüm kalan sınıfları kontrol edildiğinde \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] elde edildiğinden bu denklik mümkün değildir. O hâlde \(7\mid y\) olur. Başlangıçtaki denklik bu durumda \(x^3\equiv0\pmod7\) biçimine indirgenir; buradan \(7\mid x\) elde edilir ve böylece önerme kanıtlanır.
Şimdi \(F(x,y)=2891\) olduğunu varsayalım. \[ 2891=7^2\cdot59, \] olduğundan, yukarıdaki önerme bazı \(a,b\) tam sayıları için \(x=7a\) ve \(y=7b\) olduğunu verir. Dolayısıyla, \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] olur; bu da \(2891\) sayısının \(7^3\) ile bölünebilmesini gerektirir. \(7\nmid59\) olduğundan bu, \(2891=7^2\cdot59\) eşitliğiyle çelişir. Böylece \(n=2891\) olduğunda tam sayı çözümü yoktur.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1982 · Problema 4
Demostrar que, si \(n\) es un entero positivo tal que la ecuación \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] tiene una solución en enteros \((x,y)\), entonces tiene al menos tres soluciones de este tipo. Demostrar que la ecuación no tiene soluciones en enteros cuando \(n=2891\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Pongamos \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\). Desarrollando directamente, se obtiene \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] Así, la transformación \(T(x,y)=(-y,x-y)\) transforma cada solución en otra solución. Además, \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] Por consiguiente, a partir de cualquier solución entera obtenemos las tres soluciones enteras \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
Estas son distintas. En efecto, como \(T^3\) es la identidad, cualquier igualdad entre dos de estos pares implica \(T(x,y)=(x,y)\). Esto da \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] de modo que \(3y=0\), y por tanto \(x=y=0\). Pero esto daría \(n=0\), en contradicción con \(n>0\). Esto demuestra la primera afirmación.
Para la segunda afirmación, demostramos que \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{y}\ 7\mid y. \] Supongamos primero que \(7\nmid y\). Al dividir la congruencia \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) por \(y^3\), y escribir \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\), se obtiene \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] Sin embargo, al comprobar todas las clases de restos se obtiene \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] por lo que esta congruencia es imposible. Por tanto, \(7\mid y\). La congruencia original se reduce entonces a \(x^3\equiv0\pmod7\), lo cual implica \(7\mid x\), y queda demostrada la implicación.
Supongamos ahora que \(F(x,y)=2891\). Como \[ 2891=7^2\cdot59, \] la implicación anterior da \(x=7a\) e \(y=7b\) para ciertos enteros \(a,b\). Por tanto, \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] lo cual haría que \(2891\) fuera divisible por \(7^3\). Esto contradice \(2891=7^2\cdot59\), puesto que \(7\nmid59\). Así pues, no hay soluciones enteras cuando \(n=2891\).
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1982 · 问题 4
证明:若 \(n\) 是正整数,且方程 \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] 有整数解 \((x,y)\),则它至少有三个这样的解。 证明当 \(n=2891\) 时,该方程没有整数解。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
令 \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\)。直接展开可得 \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] 因此,变换 \(T(x,y)=(-y,x-y)\) 将每个解仍映为解。此外, \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] 所以,从任意一个整数解都可得到以下三个整数解: \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
这三个解两两不同。事实上,由于 \(T^3\) 是恒等变换,这三个有序对中任意两个相等都会推出 \(T(x,y)=(x,y)\)。于是 \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] 故 \(3y=0\),从而 \(x=y=0\)。但这将给出 \(n=0\),与 \(n>0\) 矛盾。第一个结论得证。
对于第二个结论,我们证明 \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{且}\ 7\mid y. \] 先假设 \(7\nmid y\)。将同余式 \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) 两边除以 \(y^3\),并记 \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\),得 \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] 然而,逐一检验所有剩余类,得 \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] 所以这个同余式不可能成立。因此 \(7\mid y\)。此时原同余式化为 \(x^3\equiv0\pmod7\),由此得 \(7\mid x\),上述蕴含关系得证。
现在假设 \(F(x,y)=2891\)。由于 \[ 2891=7^2\cdot59, \] 由上述蕴含关系可得 \(x=7a\) 和 \(y=7b\),其中 \(a,b\) 为整数。因此 \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] 这将使 \(2891\) 被 \(7^3\) 整除。由于 \(7\nmid59\),这与 \(2891=7^2\cdot59\) 矛盾。因此,当 \(n=2891\) 时,没有整数解。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1982 · Задача 4
Докажите, что если \(n\) — положительное целое число, для которого уравнение \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] имеет решение в целых числах \((x,y)\), то оно имеет по крайней мере три таких решения. Покажите, что при \(n=2891\) это уравнение не имеет решений в целых числах.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Положим \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\). Непосредственно раскрывая скобки, получаем \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] Таким образом, преобразование \(T(x,y)=(-y,x-y)\) переводит каждое решение в решение. Кроме того, \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] Следовательно, из любого целочисленного решения получаем три целочисленных решения \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
Эти решения различны. Действительно, поскольку \(T^3\) — тождественное преобразование, равенство любых двух из этих пар влечёт \(T(x,y)=(x,y)\). Отсюда \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] так что \(3y=0\), а значит, \(x=y=0\). Но тогда \(n=0\), что противоречит условию \(n>0\). Первое утверждение доказано.
Для доказательства второго утверждения покажем, что \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{и}\ 7\mid y. \] Предположим сначала, что \(7\nmid y\). Разделив сравнение \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) на \(y^3\) и обозначив \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\), получаем \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] Однако проверка всех классов вычетов даёт \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] поэтому это сравнение невозможно. Следовательно, \(7\mid y\). Тогда исходное сравнение сводится к \(x^3\equiv0\pmod7\), откуда следует \(7\mid x\), что и доказывает импликацию.
Теперь предположим, что \(F(x,y)=2891\). Поскольку \[ 2891=7^2\cdot59, \] из доказанной выше импликации следует, что \(x=7a\) и \(y=7b\) для некоторых целых \(a,b\). Следовательно, \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] откуда следовало бы, что \(2891\) делится на \(7^3\). Это противоречит равенству \(2891=7^2\cdot59\), поскольку \(7\nmid59\). Таким образом, при \(n=2891\) целочисленных решений нет.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1982 · المسألة 4
أثبت أنه إذا كان \(n\) عددًا صحيحًا موجبًا بحيث يكون للمعادلة \[ x^3-3xy^2+y^3=n \] حل بالأعداد الصحيحة \((x,y)\)، فإن لها ثلاثة حلول من هذا النوع على الأقل. بيّن أن المعادلة ليس لها حلول بالأعداد الصحيحة عندما \(n=2891\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نضع \(F(x,y)=x^3-3xy^2+y^3\). يعطينا النشر المباشر \[ F(-y,x-y)=-y^3+3y(x-y)^2+(x-y)^3=F(x,y). \] إذن يحوّل التحويل \(T(x,y)=(-y,x-y)\) كل حل إلى حل. علاوة على ذلك، \[ T^2(x,y)=(y-x,-x),\qquad T^3(x,y)=(x,y). \] ومن ثم، نحصل انطلاقًا من أي حل صحيح على الحلول الصحيحة الثلاثة \[ (x,y),\qquad (-y,x-y),\qquad (y-x,-x). \]
هذه الحلول متمايزة. بالفعل، بما أن \(T^3\) هو التحويل المطابق، فإن أي تساوٍ بين اثنين من هذه الأزواج يستلزم \(T(x,y)=(x,y)\). وهذا يعطي \[ x=-y,\qquad y=x-y, \] ومن ثم \(3y=0\)، وبالتالي \(x=y=0\). لكن هذا يؤدي إلى \(n=0\)، خلافًا لكون \(n>0\). وهذا يثبت المطلوب الأول.
لإثبات المطلوب الثاني، نبيّن أن \[ 7\mid F(x,y)\quad\Longrightarrow\quad 7\mid x\ \text{و}\ 7\mid y. \] نفترض أولًا أن \(7\nmid y\). بقسمة التطابق \(F(x,y)\equiv0\pmod7\) على \(y^3\)، وكتابة \(t\equiv xy^{-1}\pmod7\)، نحصل على \[ t^3-3t+1\equiv0\pmod7. \] لكن فحص جميع فئات البواقي يعطي \[ \begin{array}{c|rrrrrrr} t&0&1&2&3&4&5&6\\ \hline t^3-3t+1\pmod7&1&6&3&5&4&6&3 \end{array} \] ولذلك يستحيل هذا التطابق. وعليه \(7\mid y\). عندئذ يختزل التطابق الأصلي إلى \(x^3\equiv0\pmod7\)، وهو ما يستلزم \(7\mid x\)، فيثبت الاستلزام.
نفترض الآن أن \(F(x,y)=2891\). بما أن \[ 2891=7^2\cdot59, \] فإن الاستلزام السابق يعطي \(x=7a\) و\(y=7b\) لعددين صحيحين \(a,b\). ومن ثم، \[ 2891=F(7a,7b)=7^3F(a,b), \] وهذا يجعل \(2891\) قابلًا للقسمة على \(7^3\). ويتناقض ذلك مع \(2891=7^2\cdot59\)، لأن \(7\nmid59\). إذن لا توجد حلول صحيحة عندما \(n=2891\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).