Feladat: 1276. matematika feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Bóta Károly ,  Deák I. ,  Freud R. ,  Gyenes G. ,  Huhn András ,  Körner János ,  Laczkovich Miklós ,  Lamm P. ,  Nagy P. ,  Sófalvi M. 
Füzet: 1965/március, 107 - 109. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Logikai feladatok, Prímtényezős felbontás, Dirichlet-tétel, Partíciós problémák, Számhármasok, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1963/november: 1276. matematika feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

I. Sanyi állítása páros számokról szól és három részállításból tevődik össze. Vizsgáljuk először ezeket. A páros számot jelöljük 2k-val (k egész).
α) Az első részállítás 2k két olyan összeadandóra bontására vonatkozik, amelyek szorzata négyzetszám. Ilyen mindig található: 2k=k+k, és az összeadandók szorzata k2=|k|2. Ha azonban a 0-t nem engedjük meg mint összeadandót, akkor a 0 nem állítható elő a kívánt módon, mert két 0-tól különböző összeadandóra bontva az egyik a másik negatívja lesz, így szorzatuk negatív.
β) A második részállítás a 2k-nak olyan egész számok különbségeként való írásáról szól, amelyek szorzata négyzetszám. A kisebbítendőt d-vel jelölve a kivonandó d-2k, így a d(d-2k)=e2 követelményből (ahol d és e egész szám) d=k±k2+e2. Itt e0, mert különben d és d-2k közül az egyik 0 volna. Ha k=0, nyilván bármilyen 0-tól különböző egész megfelel d-nek. Ha k0, akkor k2+e2=f2 kell hogy legyen valamilyen f egész számmal. Innen k2=f2-e2=(f+e)(f-e). Itt f+e és f-e(=f+e-2e) vagy mindkettő páros, vagy mindkettő páratlan. Így k2-et két egymástól különböző és egyező párosságú tényezőre kell bontani. Ez lehetséges, mert ha k páros, akkor k2 osztható 4-gyel, csak k=±1 és ±2 esetén nincs más, mint az egyenlő tényezőkből álló 1=11=(-1)(-1), ill. 4=22=(-2)(-2) felbontás.
Ha k2=uv egy kívánt alakú felbontás, akkor f=(u+v)/2, e=(u-v)/2, egészek, mert u és v egyező párosságú, f2-e2=uv=k2, és pl. d=k+f, d-2k=f-k szorzata d(d-2k)=f2-k2=e2. Így a ±2, ±4 számok kivételével minden páros számhoz létezik β típusú felbontás is.
γ) A harmadik részállítás 2k-nak olyan egész számok különbségeként való írásáról szól, amelyek szorzata egy négyzetszám (-1)-szerese. Ha b és c ilyen egészek: 2k=b-c, ahol bc=-e2, akkor 2k=b+(-c) és b(-c)=-bc=e2. Ha tehát van γ típusú előállítás, akkor van egész összeadandókból álló α típusú felbontás is, és ugyanígy, ha van egész összeadandókból álló α típusú felbontás, abból azonnal nyerhető egy γ típusú felbontás is. Ezzel egyszersmind beláttuk, hogy minden 0-tól különböző páros számnak van γ típusú felbontása is.
II. Az utolsó megjegyzés szerint Sanyi állításának harmadik része fölösleges, hiszen ha az első állítás nem teljesül, akkor a harmadik sem, és megfordítva. Nem derül ki az sem, hogy a 0-t megengedi-e Sanyi összeadandónak, ill. kivonandónak, vagy sem. Ez a probléma kiküszöbölhető azzal is, ha négyzetszámon pozitív egész négyzetét értjük. Célszerű azonban ezt is kifejezésre juttatni. Feleslegesen gyengíti az állítást a ,, ... ha pedig így nem bontható, ...'' fogalmazás is, hiszen a β (vagy γ) állítást ezzel az α alóli egyetlen kivételre, a 0-ra korlátozza, holott láttuk, hogy az is érvényes véges számú kivétellel minden páros számra, és ez a többet mondó állítás, hiszen α teljesen magától értetődő módon teljesül. Nem egyértelmű a vagy ... , vagy ... használata sem az állítás második részében, mert jelentheti azt is, hogy vagy az egyik állítás vagy a másik igaz, de nem mind a kettő (,,kizáró vagy''), de azt is, hogy vagy az egyik állítás igaz, vagy a másik, vagy mind a kettő, (,,megengedő vagy''). Ha azonban a γ állítást elhagyjuk, ez a probléma is elesik.
Mindezek alapján Sanyi állítása helyett pl. a következő szabatosabb és többet mondó állítást fogalmazhatjuk meg: ,,Minden páros szám, véges sok kivételtől (ti. a 0, ±2, ±4-től) eltekintve, előállítható két egész szám összegeként is és két egész szám különbségeként is úgy, hogy e két szám szorzata pozitív négyzetszám legyen; amelyik páros szám nem állítható elő az egyik módon, előállítható a másik módon.''
III. Még mindig kérdéses marad, érdemes-e a második részállításhoz való hasonlósága ellenére is említeni a teljesen magától értetődő első részt. Lehet, hogy Tóni arra is gondolt, hogy itt az összeadandókról kössük ki, hogy különböző egész számok. Megjegyezzük, hogy ha az összeadandók egész voltát nem kívánjuk meg ‐ ahogy Sanyi sem követelte meg állítása α részében ‐, akkor az a+b=2k, ab=e2 egyenletrendszer gyökei, vagyis az x2-2kx+e2=0 egyenlet két gyöke, a k±k2-e2 számok mindig megfelelnek, * hacsak e<k, és egész szám. Ha azonban az összeadandók egész voltát is megkívánjuk, akkor itt valamilyen egész f-fel k2-e2=f2 kell hogy legyen, és f0, mert különben két egyenlő összeadandót kapnánk. Így k2=e2+f2 kell hogy fennálljon, ahol e és f 0-tól különböző egész.
Ismeretes,* hogy ha két négyzetszám összege osztható egy 4j+3 alakú p prímszámmal, akkor mindkét négyzetszám alapja is osztható p-vel. Könnyű látni azt is, hogy ha két négyzetszám összege osztható 4-gyel, akkor az alapok párosak. Valóban, ha az egyik alap páros, a másik páratlan, akkor négyzeteik összege páratlan, ha pedig mindkét alap páratlan, mivel páratlan szám négyzete 4-gyel osztva 1-et ad maradékul, a négyzetösszeg páros, de nem osztható 4-gyel. Így két 0-tól különböző, egymáshoz relatív prím szám négyzetének az összege, csupa 4j+1  alakú prím szorzata, vagy egy ilyen szorzat kétszerese.
A fenti kérdésre visszatérve, ha e0, f0, és legnagyobb közös osztójuk d, azaz e=de1, f=df1, ahol e1 és f1 relatív prímek, akkor e2+f2=d2(e12+f12), és itt a zárójelben álló összeg 4j+1 alakú prímek szorzata vagy egy ilyen szorzat kétszerese. Ha ez a négyzetösszeg a k2 négyzetszámmal egyenlő, akkor az utóbbi eset nem fordulhat elő. Ezek szerint, ha k-nak nincs 4j+1 alakú prímszám osztója, akkor nem bontható fel két pozitív négyzetszám összegére, és akkor 2k sem bontható fel olyan különböző egész számok összegére, amelyek szorzata négyzetszám. Belátható, hogy a többi esetekben a kívánt felbontások mindig léteznek.

 

Összeállítva a következők dolgozataiból, kiegészítésekkel:
Bóta Károly (Budapest, Fazekas M. gyak. g. II. o. t.)
Huhn András (Szeged, Ságvári E. gyak. g. III. o. t.)
Körner János (Budapest, Apáczai Csere J. gyak. g. III. o. t.)
Laczkovich Miklós (Budapest, Fazekas M. gyak. g. II. o. t.)
*Több dolgozat helyesen rámutatott arra, hogy ha páros (vagy akár páratlan) számot két tört összegére bontunk, ezek szorzata nem egész, és így nem is négyzetszám; nem gondoltak azonban irracionális felbontásra.

*Lásd pl. Hajós Gy.‐Neukomm Gy.‐Surányi J.: Matematikai versenytételek II. rész (Középiskolai Szakköri Füzetek; Tankönyvkiadó, Budapest, 1965) 61. old.