Mathematical and Physical Journal
for High Schools
Issued by the MATFUND Foundation
Already signed up?
New to KöMaL?

Problem B. 5074. (January 2020)

B. 5074. Find all positive integers \(\displaystyle n\) and distinct (positive) primes \(\displaystyle p\), \(\displaystyle q\), \(\displaystyle r\) for which

\(\displaystyle \frac1{pq}+\frac1{pr^3}+\frac1{qr^2}=\frac1n. \)

Proposed by G. Holló, Budapest

(5 pont)

Deadline expired on February 10, 2020.


Sorry, the solution is available only in Hungarian. Google translation

Megoldás. Az egyenletet szorozzuk be \(\displaystyle npqr^3\)-nal:

\(\displaystyle n(r^3+pr+q)=pqr^3.\)

A bal oldalon szereplő \(\displaystyle r^3+pr+q\) tényező nem osztható az \(\displaystyle r\) prímmel, hiszen \(\displaystyle r\mid r^3+pr\), de \(\displaystyle r\nmid q\), mert \(\displaystyle r\ne q\). Így \(\displaystyle r^3\mid n\), hiszen az egyenlet jobb oldala osztható \(\displaystyle r^3\)-nal. Legyen \(\displaystyle n=r^3n'\), ahol \(\displaystyle n'\) is pozitív egész. Leosztva \(\displaystyle r^3\)-nal:

\(\displaystyle n'(r^3+pr+q)=pq.\)

Mivel \(\displaystyle \max(p,q)<r^3+pr+q\), ezért csak \(\displaystyle r^3+pq+q=pq\) lehet, és így \(\displaystyle n'=1\).

Az \(\displaystyle r^3+pr+q=pq\) egyenlet mindkét oldalához \(\displaystyle r\)-et adva és megfelelően rendezve a jobb oldal szorzattá alakítható az alábbi módon:

\(\displaystyle r^3+r=(q-r)(p-1).\)

Ha \(\displaystyle p,q,r\) mindegyike páratlan lenne, akkor a jobb oldalon két páros szám szorzata állna, vagyis \(\displaystyle 4\mid r^3+r=r(r^2+1)\) következne. Azonban \(\displaystyle r\) páratlan, \(\displaystyle r^2+1\) szám 4-es maradéka pedig 2 (hiszen páratlan szám négyzete 4-gyel osztva 1 maradékot ad). Ez az ellentmondás mutatja, hogy \(\displaystyle p,q,r\) között páros számnak is kell lenne, ami csak a 2 lehet, hiszen \(\displaystyle p,q,r\) pozitív prímek. Mivel \(\displaystyle r^3+r\) és \(\displaystyle p-1\) pozitívak, ezért \(\displaystyle 0<q-r\) alapján \(\displaystyle r<q\). Továbbá \(\displaystyle r\mid r^3+r=(q-r)(p-1)\) alapján \(\displaystyle r\mid q-r\) vagy \(\displaystyle r\mid p-1\). Mivel \(\displaystyle r\nmid q\), ezért csak \(\displaystyle r\mid p-1\) lehet, amiből \(\displaystyle r<q\). Tehát \(\displaystyle p,q,r\) közül \(\displaystyle r\) a legkisebb és így \(\displaystyle r=2\).

A kapott egyenlet:

\(\displaystyle 10=(q-2)(p-1).\)

Mivel \(\displaystyle p\) páratlan prím (hiszen \(\displaystyle 2=r\ne p\)), ezért \(\displaystyle p-1\) páros, vagyis értéke csak 2 vagy 10 lehet, hiszen a \(\displaystyle q-2\) és \(\displaystyle p-1\) tényezők pozitívak, és a 10-nek csak ez a két pozitív páros osztója van. Ha \(\displaystyle p-1=2\), akkor \(\displaystyle q-2=5\), ekkor \(\displaystyle p=3,q=7\) valóban prímek. Ha pedig \(\displaystyle p-1=10\), akkor \(\displaystyle q-2=1\), ekkor \(\displaystyle p=11,q=3\) szintén prímek.

Tehát egyetlen olyan \(\displaystyle n\) érték van, amire léteznek megfelelő \(\displaystyle p,q,r\) prímek: \(\displaystyle n(=r^3)=2^3=8\), és ekkor a \(\displaystyle (p,q,r)=(3,7,2)\) és a \(\displaystyle (p,q,r)=(11,3,2)\) hármasok megfelelők. (Utóbbit ellenőrizhetjük behelyettesítéssel is, de hivatkozhatunk arra is, hogy végig ekvivalens átalakításokat hajtottunk végre az egyenlettel.)


Statistics:

73 students sent a solution.
5 points:57 students.
4 points:2 students.
3 points:5 students.
2 points:4 students.
1 point:2 students.
0 point:3 students.

Problems in Mathematics of KöMaL, January 2020