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Aparentemente no válido paso en la prueba de $\frac{a^2+b^2}{ab+1}$ es un cuadrado perfecto?

Recordemos el famoso OMI 1988 pregunta 6:

Supongamos que $\displaystyle\frac{a^2+b^2}{ab+1}=k\in\mathbb{N}$ algunos $a,b\in\mathbb{N}$. Mostrar que $k$ es un cuadrado perfecto.

Se pueden encontrar soluciones:

$1)$ http://projectpen.files.wordpress.com/2008/10/pen-vol-i-no-1.pdf (Sección 2.6)

$2)$ http://www.georgmohr.dk/tr/tr09taltvieta.pdf

Cuando vi por primera vez soluciones a este problema yo no tenía ninguna reticencia en aceptar la validez de las soluciones, pero sólo recientemente he leído sobre ellos de nuevo y parece que hay varias cosas que me molesta y que todo se relaciona a un determinado paso en todas las soluciones anteriores.

Soluciones de $1)$ $2)$ son esencialmente el mismo argumento en el sentido de que ambos supongamos en primer lugar que el $k$ no es un cuadrado perfecto y luego deducir una contradicción.

Ahora vayamos al tema en cuestión. De ello se deduce a partir de las fórmulas de Vieta que la otra raíz $c$ (la otra raíz se llama $a_1$, $x_2$ en $1)$, $2)$ respectivamente - voy a llamar a $c$ por la simplicidad como una referencia general a la otra raíz de $x^2-kbx+b^2-k$ donde $a$ es la primera raíz) debe ser un número entero. Ahora tenga en cuenta que en la comprobación de que $c\ge 0$ $1)$ $2)$ no tuvo necesidad de utilizar la suposición de que $k$ no es un cuadrado perfecto. Pero para demostrar que $c\neq 0$, entonces debemos, finalmente, el uso de la suposición de que $k$ no es un cuadrado perfecto. Aquí es donde parece (al menos para mí por el momento) a un problema. Recordar que en el problema que queremos $a,b\in\mathbb{N}$, por lo que este es equivalente a la definición de un conjunto en el que fijar $k$. $$S(k):= \left\{(a,b)\in\mathbb{N}\times\mathbb{N} : \frac{a^2+b^2}{ab+1}=k\in\mathbb{N}\right\}$$

Ahora en $1)$ $2)$ asumen que las $k$ no es un cuadrado perfecto y, por tanto, deducir que $c\neq 0$ porque si $c=0$, como resultado de$x^2-kbx+b^2-k=0$$k=b^2$. Aquí es donde parece ser un inválido contradicción. Si $c=0$, entonces no se contradice con que $k=b^2$ porque $c=0\not\in\mathbb{N}$ y, por tanto, $(c,b)\not\in S(k)$ así que como resultado de $c^2-kbc+b^2-k=0$ no cumple la condición de la pregunta y, por tanto, no contradice en nada aunque $k=b^2$. Aquí es donde puede haber algo que no he entendido y sería genial si alguien puede justificar con claridad por qué mi razonamiento es defectuoso?

Una pequeña nota: vemos que se dedujo en $1)$ $2)$ que $c<a$ sólo por el uso de la suposición de que WLOG $a\ge b$ junto con Vieta de las fórmulas de ($c<b$ también puede ser demostrado por estos supuestos solo). Para demostrar, de $c<a$ $c<b$ era independiente de la $(c,b)\in S(k)$ y también es independiente de asumir algunas minimality propiedad en $b$. Por lo tanto podemos decir que el $c<a$ $c\ge 0$ son todos deduce sin asumiendo $k$ no ser un cuadrado perfecto ni $b$, siendo el mínimo fijo $k$.

5voto

riza Puntos 170

Primero, nótese que en (2), los naturales $\Bbb N$ se denominan "números enteros no negativos" (página uno), que sin duda incluye a $0$. Pero ese no es el quid de la confusión aquí.

Si $c=0$, entonces no se contradice con que $k=b^2$.

Nadie afirma que "$c=0$" contradice "$k=b^2$." Más bien, se contradice nuestras original de la hipótesis de que el entero $k$ no es un cuadrado perfecto (claramente $b^2$ es una plaza!). El flujo de la discusión va como esto:

  • Hipótesis (H): $k$ no es un cuadrado perfecto y $S$ es no vacío.
    • Givens (G): Wlog, vamos a $(a,b)\in S$ $a>b$ $a+b$ mínima entre $S$.
    • Deducción de 1: fórmula Cuadrática dice $\frac{x^2+b^2}{xb+1}=k$ tiene una raíz $x=c$ además $x=a$.
    • Deducción de 2: Por Vieta $c=kb-a$ $c$ es un número entero.
    • Hipótesis A: $c=0$.
      • Deducción: Conectar $x=c$ la ecuación nos da $b^2=k$
      • Contradicción: Esto contradice nuestra suposición de que $k$ no es un cuadrado.
    • Deducción 3: $c\ne 0$.
    • Hipótesis B: $c<0$.
      • Deducción: $c^2-kbc+b^2-k\ge c^2+k(1)+b^2-k=c^2+b^2>0$.
      • Contradicción: Pero el de arriba es $0$ es $c$ conectado en el cuadrática.
    • Deducción 4: $c>0$, y por lo $(c,b)\in S$.
    • Deducción de 5: Desde $a>b$, $b^2-k<a^2$, por lo $c=\frac{b^2-k}{a}<a$ por lo tanto $c+b<a+b$.
    • Contradicción: la Deducción de 5 contradice la que da $a+b$ fue mínima entre pares.
  • Deducción X: $S$ está vacía o $k$ es un cuadrado perfecto.

Esto es sólo un esbozo que de manera concisa presenta la estructura del argumento. Aviso que esto equivale a una prueba por contradicción, que contiene pruebas-por-contradicción. Déjeme saber si usted tiene alguna pregunta acerca de las dependencias entre estas hipótesis y deducciones!

Observación. Técnicamente en la Deducción 1 no sabemos si es o no $c\ne a$, pero es que no necesita saber. El resto del argumento funciona de la misma manera, hasta la Deducción de 5, donde nos enteramos de que $c+b<a+b$, lo cual es imposible si $c=a$ (no importa!).


Sospecho que su paráfrasis (o el libro!) tiene un menor error tipográfico. Permítanme ponerlo en los puntos.

  • Fix $k$ a de ser algún entero positivo. Consideremos el conjunto a $Q$ de los pares de $(a,b)$ tal que $a\ge b\color{Red}>0$ $$\frac{a^2+b^2}{ab+1}=k.$$
  • A continuación, $a$ es una raíz de la ecuación cuadrática $\frac{x^2+b^2}{xb+1}=k$. Deje $c$ ser la otra raíz.
  • Por Vieta fórmulas, $a+c=bk$, lo $c$ es un número entero.
  • Tenemos $k(bc+1)=a^2+b^2>0$, por lo que debemos tener $bc\ge -1$. Desde $b> 0$,$c\ge 0$.
  • Supongamos $c>0$. A continuación, el producto de las raíces es $ac=b^2-k<b^2$, lo cual es imposible a no ser $b>c$, y si $b>c$, entonces la validez de par $(b,c)\in Q$ $c$ menor que $b$$(a,b)$, contra minimality.
  • Por lo tanto, $c=0$ $k=b^2$ es un cuadrado. Desde nuestra elección de $k$ fue arbitraria, siempre que $\frac{a^2+b^2}{ab+1}$ es un número entero positivo también debe ser un cuadrado perfecto.

No hay que confundir este argumento, decir (3), con los argumentos en la original de dos enlaces.

  • Tanto en (1) y (2) suponga $k$ no es un cuadrado perfecto, con el fin de derivar una contradicción, mientras que en (3) esto no es asumido (a pesar de su negación se deriva, sin embargo).
  • En (1), $S(k)$ se define estrictamente positivos pares, y los pares no ordenados por tamaño. Podemos deducir $c\ne0$ aquí invocando el supuesto de $k$ es rectangulares, y por lo tanto $(b,c)\in S(k)$.
  • En (2), $S$ es definido posiblemente contienen pares con uno o ambos de ser $0$, aunque también no obliga a las parejas a ser ordenado - el orden de $A,B$ es tomado wlog. Suponemos que por la hipótesis de que ningún par en $S$ $0$ y obtener una contradicción, por lo que no contienen un $0$, lo que implica la $k$ es de planta cuadrada.
  • En (3), $Q$ contiene estrictamente positivos pares, y están ordenados por tamaño. Similar a (2) vamos a demostrar que (el uso de contradicción en minimality) $k=b^2$, aunque $(b,0)\not\in Q$.

Los argumentos son sutilmente diferentes y seguir con la prueba de diferentes maneras. Me hubiera aconsejado que se adhieren a una de las pruebas y entender que uno antes de pasar a otro, mucho menos a otros dos, pero el gato está fuera de la bolsa, supongo.

Respecto a su percepción de la ambigüedad, permítanme decir esto. Le deseo decir que siempre que $\frac{a^2+b^2}{ab+1}$ es un entero positivo, es un cuadrado perfecto. Para probar esto, podríamos solucionar $k$ positivo y considerar todos los positivos, o, alternativamente, no negativo, pares de $a,b$ tal que la fracción es igual a $k$, e ir de allí; en el final de nuestra deseada reclamación de la siguiente manera debido a nuestra selección de $k$ a revisión fue arbitraria.

Tenga en cuenta que en (3), el conjunto $Q$ no contiene todos los par $x,y$ tal que $\frac{x^2+y^2}{xy+1}=k$. Sólo contiene los positivos. Podemos demostrar que cualquiera de las $(b,c)\in Q$ y obtener una contradicción en minimality, o de lo $c=0$ y conectarlo da $k=\frac{0^2+b^2}{b\cdot 0+1}=b^2$ es un cuadrado. De nuevo, no importa que $(b,0)\not\in Q$, el cálculo es válido independientemente debido a $c=0$ es todavía una raíz de $\frac{x^2+b^2}{xb+1}=k$, simplemente no es uno dentro de $Q$.

4voto

Jason Weathered Puntos 5346

Mi lectura de su objeción es ligeramente diferente de anon, así que he pensado que me gustaría ofrecer otra respuesta. Si he entendido bien, lo que están diciendo es que, mientras que $k=b^2$ sería sin duda contradicen la declaración de

(1) "$k$ no es un cuadrado perfecto",

no contradice la declaración de

(2) "$c$ es un entero positivo implica que $k$ no es un cuadrado perfecto"

desde $k=b^2$ fue derivado bajo el supuesto de que $c=0$.

Mi respuesta a esto es que realmente es (1) y no (2) que es asumida en las dos pruebas que mencionas. De hecho, ni siquiera estoy seguro de donde se obtiene la idea de que las pruebas a hacer la hipótesis de que la $c$ es un entero positivo. Es simplemente la otra "root"; no hay ninguna razón por $(c,b)$ debe ser un elemento de $S(k)$ o, de hecho, ¿por qué $c$ debe satisfacer cualquier propiedad que no sea la de ser una raíz. De hecho, $c$ es inicialmente ni siquiera supone que para ser un entero, de lo contrario, ¿por qué la necesidad de invocar Vieta fórmulas? En ambas pruebas, finalmente sobreviene la que $c$ es un entero positivo, y que, por ende,$(c,b)\in S(k)$, pero nada como esto se supone que al principio.

Me gustaría añadir que, si estaban en lo correcto, que las pruebas fueron asumiendo $c$ a ser positivo, entonces no habría ninguna necesidad de demostrar $c\ne0$ en el primer lugar, puesto que ya sería cierto, por supuesto.

Por último, me gustaría señalar que la definición de "número natural" para incluir tanto a cero y los enteros positivos no alteren sustancialmente el argumento general. El objetivo es demostrar que los conjuntos de $S(k)$ están vacías si $k$ no es un cuadrado perfecto. Si $S(k)$ para los no-perfecto-cuadrado de $k$ está vacía cuando los números naturales se definen a ser positivo, es todavía vacío, cuando se definen para incluir el cero. La razón es que dejando $a$ y/o $b$ igual a cero en la expresión de $\frac{a^2+b^2}{ab+1}$ claramente los resultados en un cuadrado perfecto. Por lo tanto, el extra de pares ordenados en el que uno de los dos de $a$ $b$ es cero toda la mentira en $S(k)$ que $k$ es un cuadrado perfecto.

No sé si la ampliación de la definición de número natural a ser cero, haría la prueba más clara o más aceptable para usted, pero si, no hay nada de malo en hacerlo.

Adenda en respuesta a OP respuesta: Es algo que se omiten en este texto?

Así que supongo que aquí es por qué creo que aunque claramente si $c=0$ $k=b^2$ es, obviamente, un cuadrado, análoga a la del argumento con el resto de la prueba que acabamos de dar, a continuación, $(c,b)\not\in S(k)$ no se contradice con que $k$ tal que $ab+1|a^2+b^2$ $a,b\in\mathbb{N}$ desde $c\not\in\mathbb{N}$.

Por mi lectura no debe ser otro verbo o frase después de "que" y antes de "puesto que". Voy a tratar de dar una respuesta de todos modos, ya que creo que la confusión viene de la creencia de que hay algunos de nivel superior los supuestos que se toman respecto a $c$, cuando en realidad no lo son. Nos imponen un nivel superior los supuestos en $a$$b$. Pero $c$ es no algún objeto tomado de el universo de los objetos de la satisfacción de los mismos supuestos como $a$$b$; es sólo un número determinado por $a$ $b$ a través de una ecuación cuadrática. (Al final resulta que, en la primera vinculada a prueba, que $c$ cumple con todos los supuestos que $a$ hace, excepto que es menos de $b$. Esto, sin embargo, es una deducción, no es un requisito impuesto.)

Para recapitular: nuestro objetivo es demostrar que no existen números naturales $a$ $b$ tal que $\frac{a^2+b^2}{ab+1}$ es un entero, pero no cuadrado perfecto. El nivel superior de la suposición de que las dos citadas pruebas hacer, en busca de una contradicción, es que no son tales,$a$$b$,$a\ge b$. El valor de $k$ es fijado por $a$$b$, como $k$ es un número fijo en la tercera prueba que usted ofrece. Ya en este punto de la prueba, $a$, $b$, y $k$ son sólo números fijos, entonces podemos hablar acerca de las propiedades de los fijos polinomio $x^2-kbx+b^2-k$. En particular, podemos hablar de sus otros raíz de $c$, que también es fijo, ya que está totalmente determinado por el polinomio. Una propiedad de $c$ que podemos deducir es que es distinto de cero, ya que, si fueron de cero, lo que estaría en contradicción con una conocida propiedad de la número fijo $k$, es decir, que no es un cuadrado perfecto.

En general creo que puede haber alguna incomodidad con las pruebas por la contradicción, especialmente si usted sabe pruebas alternas o tener un buen entendimiento de la estructura del objeto bajo estudio. Esta inquietud viene porque usted puede, antes de llegar a la deseada contradicción, encuentro las declaraciones que no concuerdan con los de otros conocimientos que usted tiene. Usted puede sentir que estas declaraciones invalidar la prueba. La cura para este a suspender la incredulidad de los fines de la prueba. Usted no puede permitir que otro conocimiento en si usted está tratando de reprobar la declaración de los primeros principios. En realidad, es completamente espera que si, en busca de una contradicción, usted asume la existencia de soluciones que resultan ser imposible, encontrar en el trabajo que estas soluciones imposibles tienen propiedades incompatibles con los de las soluciones posibles. Operativo en la suspensión de la incredulidad modo, sin embargo, las inconsistencias no debería ser considerado manifiestan hasta que te las arreglas para llegar a una declaración claramente en contradicción con los supuestos internos para la prueba.

Anexo II: Mientras yo estoy corrigiendo algunos errores tipográficos, me quedo con uno más puñalada en la elaboración de este claro. Dado los números de $a$$b$, los números de $k$ $c$ ($k$ por su definición, $c$ por Vieta de la fórmula). Si se han hecho conjeturas acerca de $a$$b$, usted puede ser capaz de concluir algo acerca de $k$$c$. En tanto el primero vinculado a prueba y la tercera prueba - el que usted describe en su respuesta - suponemos que $a\ge b$, $a$ $b$ son positivos (tomando anon de la corrección a la tercera prueba) enteros, y que $a$ $b$ son tales que $k$ es un número entero. Estos supuestos implican que $c$ es un número entero no negativo.

En la primera vinculada a prueba, suponemos además que $a$ $b$ son tales que $k$ no es un cuadrado perfecto. De más esta hipótesis se deduce que $c\ne 0$. En la tercera prueba, hay un diferente además de la asunción, a saber, que $b$ es positivo y mínimo. A partir de este diferente además de la asunción llegamos a la conclusión de que $c=0$. Diferentes supuestos adicionales llevar a diferentes conclusiones sobre el valor de $c$.

3voto

zyx Puntos 20965

La prueba no requiere contradicción o cualquier hipótesis de trabajo acerca de la $k$ ser un cuadrado o no.

Se puede presentar como un algoritmo para la toma de un número entero solución de $(a_1,b_1)$ $a_1b_1 \neq 0$ y la producción de un número entero solución de $(a_2,b_2)$ que es menor. La repetición de este proceso de reducción, finalmente, aparecerá una solución de $(a_n,b_n)$$a_nb_n=0$. La prueba de que el algoritmo es correcto requiere de $k$ a ser un entero, pero no otros aritmética condición, tales como ser un cuadrado. Cuando el más pequeño de la solución se alcanza, con una de las variables igual a $0$, esto demuestra que el $k$ (que es constante durante la ejecución del algoritmo) era un cuadrado, pero el algoritmo y la corrección de la prueba fueron ciegos a los que.

Para ilustrar, imaginar observando el procedimiento de reducción a partir de un par de números gigantes $(A,B)$. Antes de ejecutar el proceso de reducción puede ser que desee para calcular el $\frac{A^2 + B^2}{AB+1}$ a ver que es realmente un entero. Este cálculo resultado un número entero tan grande que no es inmediatamente reconocible como un cuadrado perfecto. El proceso de reducción se producirá entonces una secuencia de pares más pequeños $(A_i, B_i)$ llegando a $(n,0)$ algunos $n$ y, a continuación, la plaza de la naturaleza de la $k$ serán evidentes.

Como este esquema puede sugerir, hay algo sospechoso cuando...

para mostrar que c≠0, entonces debemos, finalmente, el uso de la hipótesis de que k no es un cuadrado perfecto.

No hay ninguna razón para mostrar que $c \neq 0$ en cualquier etapa de la prueba. La oferta es la descripción de la situación después de la reducción de $(a,b)$ a una solución más pequeña $(b,c)$. Habiendo $c=0$ es el objetivo de la discusión. La única cosa que tiene que ser demostrado es $c \geq 0$ (por lo que el proceso puede continuar) y que $(b,c)$ es menor que $(a,b)$ (de modo que el algoritmo ha hecho el progreso). Una vez que el nuevo par $(b,c)$ ha sido construido, si $c=0$ el algoritmo se detiene correctamente, y si $c > 0$ continúa el proceso de reducción.

0voto

Reynaldi Puntos 36

Desde la sección de comentarios tiene un límite te voy a responder tanto a los de aquí.

En general, la razón por la que estoy haciendo esta pregunta es porque vi otra prueba de esto en un libro que va como esto:

Fix $k$ y elija $b$ mínima y $a\ge b\ge 0$ tales que la ecuación de $\displaystyle\frac{a^2+b^2}{ab+1}=k$ está satisfecho. Por lo tanto $a$ es una ecuación cuadrática de la raíz de la polyomial $x^2-kbx+b^2-k$. Dejar que la otra raíz es $c$. Ahora, $a+c=kb$$c\in\mathbb{Z}$. Sustituto $c$ en el polinomio y reorganizar para obtener el $k(1+bc)=c^2+b^2>0$$bc>-1$$c\ge 0$. El producto de las raíces de la ecuación cuadrática es$ac=b^2-k<b^2$$b>c\ge 0$. Por lo tanto $\displaystyle\frac{b^2+c^2}{bc+1}$ viola la minimality de la elección de $b$ si $c=0$. Por lo tanto $0$ es una raíz del polinomio y por lo $k=b^2$ es un cuadrado perfecto.

Ahora si esta prueba no es válida, por lo que a mi entender va $c=0$ debe ser el caso para no contradecir la condición en la pregunta (como diciendo $c$ no cumple la condición en la pregunta, que es $(c,b)\not\in S(k)$), por lo tanto, no contradice la minimality de $b$. Ahora esto es análogo yo diría que el argumento me fue dando más arriba. Aunque en $1)$ no asumimos algunos minimality condición, el método de infinito es el descenso que es esencialmente equivalente a $2)$. Ahora para $1)$ $2)$ por mi entendimiento cuando asumen que $k$ no es un cuadrado perfecto, entonces no existe $a,b\in\mathbb{N}$ tal que $k$ no es un cuadrado perfecto (para algunos fijos $k$).

Comentario: Ahora que me pongo a pensar, diciendo que $k$ no es un cuadrado perfecto, como la parte superior de la asunción es un poco ambiguo. Qué queremos decir por cada fijos $k$ tal que $ab+1|a^2+b^2$ $a,b\in\mathbb{N}$ asumimos $k$ no es cuadrado perfecto o para algunos fija $k$? Obviamente, esto no puede significar todo ya que cuando llegamos a nuestro contradicción, a continuación, la negación sería no todos los $k$ - lo que evidentemente no es lo que estamos tratando de probar, ya que esto no garantiza que $k$ será un cuadrado perfecto cada vez que $ab+1|a^2+b^2$$a,b\in\mathbb{N}$. De ahí que sin duda significa para algunos $k$ tal que $ab+1|a^2+b^2$$a,b\in\mathbb{N}$. Así que supongo que aquí es por qué creo que aunque claramente si $c=0$ $k=b^2$ es, obviamente, un cuadrado, análoga a la del argumento con el resto de la prueba que acabamos de dar, a continuación, $(c,b)\not\in S(k)$ no se contradice con que $k$ tal que $ab+1|a^2+b^2$ $a,b\in\mathbb{N}$ desde $c\not\in\mathbb{N}$. (Pero por favor me corrigen con una MUY convincente la razón por la que mi pensamiento no es válido si realmente hay algo mal con mi razonamiento de que no estoy viendo.) Porque esta es básicamente la razón por qué la otra nueva prueba de obras (a menos que exista otra razón por la $c=0$ para la nueva prueba que se acaba de dar), o hay un error en la prueba? Por lo tanto estoy usando esta idea de mostrar en las pruebas en $1)$ $2)$ que esto no se da una contradicción. Pero, por supuesto, ya que es probable que yo estoy equivocado, por favor explicar por qué hacemos contradicen $k$ traer cuadrado perfecto en $1)$$2)$. Es decir, ¿por qué no importa si

  • $(c,b)\not\in S(k)$ contradecir $k$ ser un cuadrado perfecto, ya que $k=b^2$ al $c=0$?

  • Si no importa, entonces, ¿cómo explicar la otra prueba sólo
    dado para justificar que $c=0$? O es la prueba incorrecta?

Realmente quiero entender por qué.

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