Feladat: A.222 Korcsoport: 14-15 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Csóka Endre ,  Gyenes Zoltán ,  Harangi Viktor ,  Pálvölgyi Dömötör ,  Varjú Péter ,  Vizer Máté ,  Zábrádi Gergely 
Füzet: 2000/március, 167. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Legnagyobb közös osztó, Oszthatóság, Prímszámok, Nehéz feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 1999/november: A.222

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

Megmutatjuk, hogy legfeljebb 5 lépésben mindig eljuthatunk az (1,0,0) számhármashoz.
Először abban az esetben oldjuk meg a feladatot, ha például b és c relatív prímek. Ekkor bármilyen szám, így az 1 is előállítható a+xb+yc alakban, alkalmas x és y egész számokkal. Ezért két lépésben eljuthatunk az (1,b,c) számhoz úgy, hogy a-hoz előbb b  x-szeresét, majd c  y-szorosát adjuk hozzá. Ezután további két triviális lépésben eljuthatunk az (1,0,0) számhármashoz. Abban az esetben tehát, ha b és c relatív prímek, 4 lépés biztosan elegendő.
Most bebizonyítjuk, hogy egyetlen lépésben elérhető, hogy a számhármas két eleme relatív prím legyen.
Ha b vagy c nulla, akkor a másik két szám relatív prím.
Ha b és c egyike sem 0, akkor legyen d a c azon prímtényezőinek szorzata, amelyek nem osztják b-t. (Ha ilyen prímosztó nincs, akkor legyen d=1.) Azt állítjuk, hogy az egy lépésben előálló (a,b+da,c) számhármas megfelelő, azaz b+da és c relatív prímek. Tekintsük c egy tetszőleges p prímosztóját; azt kell igazolnunk, hogy ez nem osztója a b+da számnak.
Ha p osztója b-nek, akkor d definíciója szerint p nem osztója d-nek. Azt is tudjuk, hogy a, b és c relatív prímek, tehát p az a-nak sem lehet osztója. Ebben az esetben tehát a b+da összeg első tagja osztható p-vel, a második tagja nem.
Ha p nem osztója b-nek, akkor d definíciója szerint p osztója d-nek. Tehát a b+da összeg első tagja nem osztható p-vel, a második tagja viszont osztható vele.
Mindkét esetben azt kaptuk, hogy p nem osztója a b+da számnak.
Összefoglalva: egy lépésben elérhetjük, hogy a második és a harmadik szám relatív prím legyen, innen pedig további négy lépésben eljuthatunk az (1,0,0) számhármashoz.

 Varjú Péter (Szeged, Radnóti Miklós Gimnázium, 11. o.t.) dolgozata alapján