IMO 2006 · Problem 4
Determine all pairs \((x, y)\) of integers such that \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
Solution
If \(x<0\), then \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] so the expression cannot be an integer square.
For \(x=0\), the equation gives \(y^2=4\), hence \(y=\pm2\). For \(x=1,2\), it gives respectively \(y^2=11,37\), neither of which is a square.
Now suppose \(x\ge3\). Put \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] The equation becomes \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] so \(Y\) is odd and \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] Of the two consecutive even integers \(Y-1,Y+1\), exactly one is divisible by \(4\); the other is twice an odd integer. Since \(n\) is a power of \(2\) and \(4n+1\) is odd, it follows that \[ n\mid Y-1\quad\text{or}\quad n\mid Y+1. \]
On the other hand, \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] and \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0 \] because \(n\ge4\). Thus \[ 2n+1<Y<3n. \] As \(Y\) is an integer, this implies \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] The only multiple of \(n\) in \((2n,3n]\) is \(3n\). Therefore the divisibility above forces \[ Y+1=3n. \] Substituting \(Y=3n-1\) into the equation yields \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] hence \(n(n-8)=0\). Since \(n>0\), we obtain \(n=8\), so \(x=4\) and \(y=\pm23\).
Finally, \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] so all four listed pairs satisfy the equation.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2006 · Aufgabe 4
Man bestimme alle Paare \((x,y)\) ganzer Zahlen, welche die folgende Gleichung erfüllen: \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2 \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
Lösung
Für \(x<0\) gilt \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] also kann der Ausdruck kein Quadrat einer ganzen Zahl sein.
Für \(x=0\) ergibt die Gleichung \(y^2=4\), also \(y=\pm2\). Für \(x=1,2\) ergibt sie \(y^2=11,37\); keine dieser beiden Zahlen ist eine Quadratzahl.
Wir nehmen nun \(x\ge3\) an. Wir setzen \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] Die Gleichung wird zu \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] also ist \(Y\) ungerade, und es gilt \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] Von den beiden aufeinanderfolgenden geraden ganzen Zahlen \(Y-1,Y+1\) ist genau eine durch \(4\) teilbar; die andere ist das Doppelte einer ungeraden ganzen Zahl. Da \(n\) eine Potenz von \(2\) und \(4n+1\) ungerade ist, folgt \[ n\mid Y-1\quad\text{oder}\quad n\mid Y+1. \]
Andererseits gilt \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] und \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0, \] da \(n\ge4\) ist. Somit gilt \[ 2n+1<Y<3n. \] Da \(Y\) eine ganze Zahl ist, folgt daraus \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] Das einzige Vielfache von \(n\) in \((2n,3n]\) ist \(3n\). Aus der obigen Teilbarkeit folgt daher zwingend \[ Y+1=3n. \] Setzen wir \(Y=3n-1\) in die Gleichung ein, so erhalten wir \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] also \(n(n-8)=0\). Wegen \(n>0\) erhalten wir \(n=8\), somit \(x=4\) und \(y=\pm23\).
Schließlich gilt \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] also erfüllen alle vier angegebenen Paare die Gleichung.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2006 · Soru 4
\(1+2^x+2^{2x+1}=y^2\) eşitliğini sağlayan tüm \((x,y)\) tam sayı ikililerini belirleyiniz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
Çözüm
\(x<0\) ise \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] dolayısıyla bu ifade bir tam sayının karesi olamaz.
\(x=0\) için denklem \(y^2=4\) verir; buradan \(y=\pm2\) bulunur. \(x=1,2\) için ise sırasıyla \(y^2=11,37\) elde edilir ve bu sayıların hiçbiri bir tam kare değildir.
Şimdi \(x\ge3\) olduğunu varsayalım. \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y| \] olsun. Denklem \[ Y^2=8n^2+2n+1 \] hâline gelir; dolayısıyla \(Y\) tektir ve \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] Ardışık iki çift tam sayı olan \(Y-1,Y+1\) sayılarından tam olarak biri \(4\) ile bölünür; diğeri ise bir tek tam sayının iki katıdır. \(n\), \(2\) nin bir kuvveti ve \(4n+1\) tek olduğundan, \[ n\mid Y-1\quad\text{veya}\quad n\mid Y+1 \] sonucu çıkar.
Öte yandan, \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] ve \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0 \] olur; çünkü \(n\ge4\) tür. Böylece \[ 2n+1<Y<3n. \] \(Y\) bir tam sayı olduğu için buradan \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n \] elde edilir. \((2n,3n]\) aralığında \(n\) nin tek katı \(3n\) dir. Dolayısıyla yukarıdaki bölünebilme koşulu zorunlu olarak \[ Y+1=3n \] eşitliğini verir. Denklemde \(Y=3n-1\) yazınca \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] dolayısıyla \(n(n-8)=0\) elde edilir. \(n>0\) olduğundan \(n=8\) bulunur; böylece \(x=4\) ve \(y=\pm23\) olur.
Son olarak, \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] dolayısıyla listelenen dört ikilinin tümü denklemi sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2006 · Problema 4
Determine todas las parejas de enteros \((x,y)\) tales que \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
Solución
Si \(x<0\), entonces \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] por lo que la expresión no puede ser el cuadrado de un entero.
Para \(x=0\), la ecuación da \(y^2=4\), de donde \(y=\pm2\). Para \(x=1,2\), da respectivamente \(y^2=11,37\), ninguno de los cuales es un cuadrado.
Supongamos ahora que \(x\ge3\). Pongamos \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] La ecuación se convierte en \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] de modo que \(Y\) es impar y \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] De los dos enteros pares consecutivos \(Y-1,Y+1\), exactamente uno es divisible por \(4\); el otro es el doble de un entero impar. Como \(n\) es una potencia de \(2\) y \(4n+1\) es impar, se sigue que \[ n\mid Y-1\quad\text{o}\quad n\mid Y+1. \]
Por otra parte, \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] y \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0 \] porque \(n\ge4\). Así pues, \[ 2n+1<Y<3n. \] Como \(Y\) es un entero, esto implica \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] El único múltiplo de \(n\) en \((2n,3n]\) es \(3n\). Por tanto, la divisibilidad anterior obliga a que \[ Y+1=3n. \] Sustituyendo \(Y=3n-1\) en la ecuación obtenemos \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] de donde \(n(n-8)=0\). Como \(n>0\), obtenemos \(n=8\), por lo que \(x=4\) e \(y=\pm23\).
Finalmente, \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] por lo que las cuatro parejas indicadas satisfacen la ecuación.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2006 · 问题 4
求所有的整数对 \((x,\ y)\),使得 \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
解答
若 \(x<0\),则 \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] 所以该式不可能是整数的平方。
当 \(x=0\) 时,由方程得 \(y^2=4\),故 \(y=\pm2\)。当 \(x=1,2\) 时,分别得到 \(y^2=11,37\),二者均不是平方数。
现在假设 \(x\ge3\)。令 \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] 方程变为 \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] 所以 \(Y\) 为奇数,且 \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] 在两个连续偶数 \(Y-1,Y+1\) 中,恰有一个能被 \(4\) 整除;另一个是某个奇数的两倍。由于 \(n\) 是 \(2\) 的幂,且 \(4n+1\) 为奇数,可得 \[ n\mid Y-1\quad\text{或}\quad n\mid Y+1. \]
另一方面, \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] 并且 \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0 \] 因为 \(n\ge4\)。因此 \[ 2n+1<Y<3n. \] 由于 \(Y\) 是整数,得 \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] 在 \((2n,3n]\) 中,\(n\) 的倍数只有 \(3n\)。因此,由上述整除关系必有 \[ Y+1=3n. \] 将 \(Y=3n-1\) 代入方程,得 \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] 故 \(n(n-8)=0\)。由于 \(n>0\),得 \(n=8\),所以 \(x=4\),\(y=\pm23\)。
最后, \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] 所以列出的四个整数对均满足方程。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2006 · Задача 4
Найдите все пары \((x,y)\) целых чисел такие, что \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
Решение
Если \(x<0\), то \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] поэтому это выражение не может быть квадратом целого числа.
При \(x=0\) уравнение дает \(y^2=4\), откуда \(y=\pm2\). При \(x=1,2\) получаем соответственно \(y^2=11,37\), и ни одно из этих чисел не является квадратом.
Теперь предположим, что \(x\ge3\). Положим \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] Уравнение принимает вид \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] поэтому \(Y\) нечетно и \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] Из двух последовательных четных целых чисел \(Y-1,Y+1\) ровно одно делится на \(4\); другое равно удвоенному нечетному числу. Поскольку \(n\) — степень \(2\), а \(4n+1\) нечетно, отсюда следует \[ n\mid Y-1\quad\text{или}\quad n\mid Y+1. \]
С другой стороны, \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] и \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0, \] поскольку \(n\ge4\). Таким образом, \[ 2n+1<Y<3n. \] Так как \(Y\) — целое число, отсюда следует \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] Единственное кратное \(n\) в \((2n,3n]\) — это \(3n\). Поэтому из установленной выше делимости следует \[ Y+1=3n. \] Подставляя \(Y=3n-1\) в уравнение, получаем \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] откуда \(n(n-8)=0\). Поскольку \(n>0\), получаем \(n=8\), так что \(x=4\) и \(y=\pm23\).
Наконец, \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] поэтому все четыре указанные пары удовлетворяют уравнению.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2006 · المسألة 4
حدد جميع الأزواج المرتبه \((x,y)\) حيث \(x\)، \(y\) أعداد صحيحه، تحقق المعادله \[ 1+2^x+2^{2x+1}=y^2 \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{(x,y)\in\{(0,2),(0,-2),(4,23),(4,-23)\}.} \]
الحل
إذا كان \(x<0\)، فإن \[ 1<1+2^x+2^{2x+1}\le 2, \] ولذلك لا يمكن أن تكون العبارة مربعا لعدد صحيح.
عندما \(x=0\)، تعطي المعادلة \(y^2=4\)، ومن ثم \(y=\pm2\). وعندما \(x=1,2\)، تعطي على الترتيب \(y^2=11,37\)، وليس أي منهما مربعا.
نفترض الآن أن \(x\ge3\). نضع \[ n=2^{x-1}\ge4,\qquad Y=|y|. \] تصبح المعادلة \[ Y^2=8n^2+2n+1, \] ومن ثم فإن \(Y\) فردي و \[ (Y-1)(Y+1)=2n(4n+1). \] من بين العددين الصحيحين الزوجيين المتتاليين \(Y-1,Y+1\)، يوجد واحد بالضبط يقبل القسمة على \(4\)؛ أما الآخر فهو ضعف عدد صحيح فردي. وبما أن \(n\) قوة للعدد \(2\) وأن \(4n+1\) فردي، ينتج أن \[ n\mid Y-1\quad\text{أو}\quad n\mid Y+1. \]
ومن جهة أخرى، \[ Y^2-(2n+1)^2=2n(2n-1)>0 \] و \[ (3n)^2-Y^2=n^2-2n-1>0 \] لأن \(n\ge4\). إذن \[ 2n+1<Y<3n. \] وبما أن \(Y\) عدد صحيح، فإن هذا يقتضي \[ 2n<Y-1<Y+1\le3n. \] المضاعف الوحيد للعدد \(n\) في \((2n,3n]\) هو \(3n\). ولذلك فإن قابلية القسمة أعلاه تقتضي \[ Y+1=3n. \] بالتعويض بـ\(Y=3n-1\) في المعادلة نحصل على \[ 9n^2-6n+1=8n^2+2n+1, \] ومن ثم \(n(n-8)=0\). وبما أن \(n>0\)، نحصل على \(n=8\)، ولذلك \(x=4\) و\(y=\pm23\).
أخيرا، \[ 1+2^0+2^1=4,\qquad 1+2^4+2^9=529=23^2, \] ومن ثم فإن الأزواج الأربعة المذكورة كلها تحقق المعادلة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.