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不定方程x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)的整数解的研究

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陈琼. 不定方程x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)的整数解的研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(4): 35-40. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.04.006
引用本文: 陈琼. 不定方程x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)的整数解的研究[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(4): 35-40. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.04.006
Qiong CHEN. A Research of the Integer Solution of the Diophantine Equation x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(4): 35-40. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.04.006
Citation: Qiong CHEN. A Research of the Integer Solution of the Diophantine Equation x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(4): 35-40. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.04.006

不定方程x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)的整数解的研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11471265)
详细信息
    作者简介:

    陈琼(1992-),女,四川乐山人,硕士研究生,主要从事计算数论的研究 .

  • 中图分类号: O156.2

A Research of the Integer Solution of the Diophantine Equation x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)

  • 摘要: 主要运用Pell方程、递推序列、同余式及(非)平方剩余等一些初等的证明方法,对不定方程 $ x(x + 1)(x + 2)(x + 3) = 33y(y + 1)(y + 2)(y + 3) $ 的解进行了研究.证明了该不定方程仅有1组正整数解( \lt i \gt x \lt /i \gt , \lt i \gt y \lt /i \gt )=(9,3).同时给出了不定方程( \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt +3 \lt i \gt x \lt /i \gt +1) \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt -33 \lt i \gt y \lt /i \gt \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt =-32的全部整数解.
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  • 表 1  k=1(mod 4)的情况

    t>3(mod 4) 0 1 2 3
    m(mod 80) 32 32 32 32
    132vm+5um(mod 79) 7 7 7 7
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    表 2  k=-1(mod 4)的情况

    t>3(mod 4) 0 1 2 3
    m(mod 80) 48 48 48 48
    5um-132vm(mod 79) 7 7 7 7
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    表 3  k=1(mod 2)的情况

    t≥1(mod 28) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
    m(mod 215) 5 10 4 8 48 96 64 169 21 144 164 113 165 164 5 88 60 137 59 118 21 126 84 74 121 27 54 108
    um(mod 431) 362 39 193 365 28 274 172 124 367 231 206 395 21 206 362 303 56 241 222 299 367 26 7 262 284 117 224 359
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  • [1] COHN J H E. The Diophantine Equation y(y+1)(y+2)(y+3)=2x(x+1)(x+2)(x+3) [J]. Pacific J Math, 1971, 37(2): 331-335. doi: 10.2140/pjm
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-02
  • 刊出日期:  2018-04-20

不定方程x(x+1)(x+2)(x+3)=33y(y+1)(y+2)(y+3)的整数解的研究

    作者简介: 陈琼(1992-),女,四川乐山人,硕士研究生,主要从事计算数论的研究
  • 西南大学 数学与统计学院,重庆 400715
基金项目:  国家自然科学基金项目(11471265)

摘要: 主要运用Pell方程、递推序列、同余式及(非)平方剩余等一些初等的证明方法,对不定方程 $ x(x + 1)(x + 2)(x + 3) = 33y(y + 1)(y + 2)(y + 3) $ 的解进行了研究.证明了该不定方程仅有1组正整数解( \lt i \gt x \lt /i \gt , \lt i \gt y \lt /i \gt )=(9,3).同时给出了不定方程( \lt i \gt x \lt /i \gt \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt +3 \lt i \gt x \lt /i \gt +1) \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt -33 \lt i \gt y \lt /i \gt \lt sup \gt 2 \lt /sup \gt =-32的全部整数解.

English Abstract

  • 当(mn)=1,mn${\mathbb{N} _ + }$时,对于形如

    的不定方程已有不少的研究工作[1-6],尤其是当m=1时,对不定方程

    的研究.到目前为止,很多数论学者已经对D=2,3,5,6,7,10,11,13,14,15,19,21,23,26,30,34,35,38,39,p2k,4p2k(其中p是素数,k$\mathbb{N}_ + $)的情形进行了讨论.本文将运用递归数列的方法证明当D=33时,不定方程

    仅有一组正整数解(xy))=(9,3).

    先将方程(1)化为如下形式:

    易知方程x2-33y2=-32的全部整数解可以由以下4个结合类给出:

    其中$1 + \sqrt {33}, 10 + 2\sqrt {33} $是不定方程X2-33Y2=-32相应结合类的基本解,$23 + 4\sqrt {33} $是Pell方程u2-38v2=1的基本解.因为x2+3x+1≡1(mod 2),从而舍去后面两个结合类.另外,我们可以得到不定方程(2)的解应该满足:

    由于限制条件Xn≥-1,$\overline {{X_n}} \ge-1$,故(3),(4)式中的Xn$\overline {{X_n}} $只需要满足下面2个式子:

    从而可以验证下面各式成立:

    下面将证明(3)式与(4)式成立当且仅当n=0和n=1,由此得到方程(1)的全部正整数解以及全部整数解.

  • 此节主要考察的是,当n为何值时4Xn+5为完全平方数.

    引理1  设2|mm>0,则

     因为2|m,所以由(7),(8)式知

    所以:

    m≡0,2(mod 8)时,5um+132vm≡5(mod 7);

    m≡4,6(mod 8)时,5um+132vm≡2(mod 7);

    m≡0,6(mod 8)时,-132vm+5um≡5(mod 7);

    m≡2,4(mod 8)时,-132vm+5um≡2(mod 7).

    因此由(9)式可知

    引理2  设n≡0(mod 4·33×5×7×11)且n>0,则(3)式不成立.

     令

    对{5un±132vn}取mod 79,可以得到两个剩余序列周期均为80.同时,易知序列{2t}取mod 80,除t=1,2,3外,当t>3时,其剩余序列的周期为4.下面对k分两种情况进行讨论:

    情况1  k≡1(mod 4)时,令

    t=1,2,3时,m分别为30,12,24,m(mod 80)=30,12,24,132vm+5um(mod 79)=45,1,57.此时均有$\pm \left({\frac{{5{u_m} + 132{v_m}}}{{79}}} \right) =-1$.除此之外,对表 1中所有的m均有$\left({\frac{{5{u_m} + 132{v_m}}}{{79}}} \right) =-1$.

    情况2  k≡-1(mod 4)时,令

    t=1,2,3时,m分别为54,12,120,m(mod 80)=54,12,40,5um-132vm(mod 79)=59,72,74.此时均有$\pm \left({\frac{{5{u_m}-132{v_m}}}{{79}}} \right) =-1$.除此之外,对表 2中所有的m均有$\left({\frac{{5{u_m}-132{v_m}}}{{79}}} \right) =-1$.

    引理3  当n≡1(mod 4·33×5×7×11),且n>1时,(3)式不成立.

     当n≡1(mod 4·33×5×7×11)时,设

    对{um}取mod 41,剩余序列周期为40.再对{2t}取模40,除t=1,2外,其余剩余序列周期为4.

    t=1,t≡1(mod 4)(t>2)时,令m=2t

    t=2时,令m=5·2t

    t≡0(mod 4)(t>2)时,令m=33·2t

    t≡2(mod 4)(t>2)时,令m=7·2t

    t≡3(mod 4)(t>2)时,令m=11·2t.

    由(12)式,有

    又因2|m,则um≡1(mod 4),$\left({\frac{{-1}}{{{u_m}}}} \right) = 1$.当m≡0,6(mod 8)时,um≡1(mod 5);当m≡2,4(mod 8)时,um≡2(mod 5).所以

    则当t(≥3)(mod 4)=0,1,2,3,t=1,2时,

    对应地有

    此时对所有的m均有$\pm \left({\frac{{{u_m}}}{{41}}} \right) =-1$,从而$\left({\frac{{4{X_n} + 5}}{{{u_m}}}} \right) =-1$,故(3)式不成立.

    引理4  若(3)式成立,则n≡0,1(mod 4·33×5×7×11).

     我们采用对序列{4Xn+5}取模的方法证明.此过程分为4步进行:

    步骤1  先证n≡0,1(mod 20).取mod 2 161,排除n≡2,3(mod 5),此时4Xn+5≡428,1 555(mod 2 161),剩余n≡0,1,4(mod 5).以上的mod 2 161是对序列{4Xn+5}取的,mod 5是因为其剩余序列周期为5,“此时”这句话是“排除”的理由,因为428,1 555均为mod 2 161的平方非剩余.为节省篇幅,后面的证明过程都按这种方式叙述.当n≡0,1,4(mod 5)时,即n≡0,1,4,5,6,9,10,11,14,15,16,19(mod 20),依次取mod 19,235 099,8 599,151,可得n≡0,1(mod 20).

    步骤2  证n≡0,1(mod 27).取mod 47,可得n≡0,1(mod 3),即n≡0,1,3,4,6,7(mod 9).取mod 71,可得n≡0,1,7(mod 9),即n≡0,1,7,9,10,16,18,19,25(mod 27),依次取mod 971,53,330 103,647,17,7,可得n≡0,1(mod 27).

    步骤3  证n≡0,1(mod 7).依次取mod 13,7 643,可得n≡0,1(mod 7).

    步骤4  证n≡0,1(mod 11).依次取mod 373,51 193,463,43,439,34 759,1 231,67 967,可以得到n≡0,1(mod 11).

    综上所述,n≡0,1(mod 4·33×5×7×11).

  • 此节我们考察4$\overline {{X_n}} $+5为完全平方数时n的取值情况.

    引理5  设n≡0(mod 4·33×5×7×11)且n>0,则(4)式不成立.

     令

    运用分类讨论的数学方法,以及引理2证明过程中m的选取方式,根据(10),(12)式以及引理1同样可得

    从而(4)式不成立.

    引理6  当n≡1(mod 4·33×5×7×11),且n>1时,(4)式不成立.

     当n≡1(mod 4·33×5×7×11)时,设

    对{um}取mod 431,剩余序列周期为215,再对{2t}取mod 215,得到剩余序列周期为28.令

    由(12)式,有

    又因2|m,则um≡1(mod 4),$\left({\frac{{-1}}{{{u_m}}}} \right) = 1$,所以有

    于是对表 3中所有的m,均有$\left({\frac{{{u_m}}}{{431}}} \right) =-1$成立,从而$\left({\frac{{4\overline {{X_n}} + 5}}{{{u_m}}}} \right) =-1$,故(4)式不成立.

    引理7  若(4)式成立,则n≡0,1(mod 4·33×5×7×11).

     仿引理4的证明,将其分为4步进行,先证明n≡0,1(mod 20),再证明n≡0,1(mod 27),n≡0,1(mod 7),最后证明n≡0,1(mod 11).

    步骤1  取mod 2 161,可以得到n≡0,1(mod 5),即有n≡0,1,5,6,10,11,15,16(mod 20).依次取mod 19,235 099,8 599,151,可得n≡0,(mod 20).

    步骤2  取mod 47,可得n≡0,1(mod 3),即n≡0,1,3,4,6,7(mod 9).取mod 71,可得n≡0,1,4(mod 9),即有n≡0,1,4,9,10,13,18,19,22(mod 27).依次取mod 971,53,330 103,647,611 279,59 833,可以得到n≡0,1(mod 27).

    步骤3  依次取mod 13,7 643,可得n≡0,1(mod 7).

    步骤4  依次取mod 373,51 193,463,可得n≡0,1(mod 11).

    综上所述,n≡0,1(mod 4·33×5×7×11).

  • 定理1  不定方程

    的全部整数解是

     由引理2、引理3和引理4知,如果(4)式成立,则n=0,1,则有x=0,-3,11,-14.此时给出方程(13)的前4组解为

    由引理5、引理6和引理7知,如果(5)式成立,则n=0,1,则有x=-1,-2,9,-12.此时给出方程(13)的后4组解为

    定理2  不定方程

    仅有正整数解(9,3).

     由(2)式及定理1知,y2+3y+1=±27,±19.其中只有y2+3y+1=19时有正整数解,此时y=3,故方程(14)的正整数解为(xy)=(9,3).

参考文献 (6)

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