Feladat: 2022. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 22. feladata Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Seres-Szabó Márton 
Füzet: 2022/november, 451 - 454. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Matematika, Nemzetközi Matematikai Diákolimpia, Magasabb fokú diofantikus egyenletek
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2022/szeptember: 2022. évi Nemzetközi Matematika Diákolimpia 22. feladata

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

Ha p=2, akkor a bizonyítandó állítás a következő alakot ölti: a2=b!+2. Itt most ha b≥4, akkor 4∣b!, így b!+2≡2(mod4). Viszont 2 soha nem lehet egy négyzetszám 4-es maradéka, vagyis ekkor nincs megoldás.
Ha b≤3, akkor:
b=1 esetén 1!+2=3, ahol a 3 nem négyzetszám.
b=2 esetén 2!+2=4=22, vagyis a (2,2,2) megoldás.
b=3 esetén pedig 3!+2=8, ami szintén nem négyzetszám.
Ezzel a p=2 esetet végignéztük, a továbbiakban feltehetjük, hogy p>2 páratlan prím.
Vizsgáljuk általában a b<4 eseteket.
Ha b=1, akkor ap=1+p. Az a=1 eset nem ad megoldást, és a továbbiakban ap≥2p>1+p.
Ha b=2, akkor ap=2+p. Az a=1 eset nem ad megoldást, és a továbbiakban ap≥2p>2+p (p>2).
Ha b=3, akkor ap=6+p. Az a=1 eset nem ad megoldást, és a továbbiakban ap≥2p>6+p minden p>3 esetén, míg a p=3, b=3 megint nem ad megoldást: a3=3!+3=9 nem köbszám.
Tehát a továbbiakban azt is feltehetjük, hogy b≥4.
A maradék eseteket két részben vizsgáljuk: b<p vagy b≥p.
Ha b<p, akkor b!-t osztja minden b-nél nem nagyobb prím, vagyis a (b!+p) kifejezést egyik sem oszthatja, azaz b!+p=ap minden prímosztója nagyobb, mint b. Tehát a>b. Ekkor viszont ap>bp. Megmutatjuk, hogy ezen kívül bp>b!+p, és innen következik, hogy nem lehet megoldása az egyenletnek, ha b<p.
Mivel b<p, ezért bevezethetjük a c≥1 és p=b+c jelölést. Ennek alapján azt kéne bebizonyítanunk, hogy bb+c>b!+b+c. A számtani és mértani közepek közötti egyenlőtlenséget alkalmazva (egyenlőség nem áll fönn, hiszen b≥4):

b!=b⋅(b-1)!=b∏i=1b-1i<b⋅∑i=1b-1ib-1b-1=b⋅(b(b-1)2(b-1))b-1=12b-1⋅bb.
Tehát azt kaptuk, hogy
b!+b+c<12b-1⋅bb+b+c=(12b-1+1bb-1)⋅bb+c.
Mivel b≥4, ezért ez tovább becsülhető:
b!+b+c<(12b-1+1bb-1)⋅bb+c<bb+c.

Tehát már csak azt kellene belátnunk, hogy bb+c<bb+c, vagyis
c<bb⋅(bc-1),
ami pedig teljesül, ha b≥4.
Ha b≥p, akkor p∣b!, így p∣b!+p, de p2∤b!+p, vagyis b≤2b-1. Továbbá, mivel b≥p, ezért minden p-nél kisebb prím osztja a b! kifejezést. És ezért a b!+p kifejezést egyik p-nél kisebb prím sem oszthatja, tehát minden prímosztója legalább p.
Tudjuk, hogy p∣b!+p. Ha létezik ezen kívül még olyan q>p prím, hogy q∣b!+p, akkor pq∣b!+p=ap, vagyis (pq)p∣ap=b!+p. Ez viszont azt jelenti, hogy
p2p≤(pq)p≤b!+p≤(2p-1)!+p=p+∏i=12p-1i,
ami a számtani és mértani közepek közötti egyenlőtlenség miatt felülről tovább becsülhető (p>2, nem áll fönn egyenlőség a számtani-mértani becslésben):
p+∏i=12p-1i<p+∑i=12p-1i2p-12p-1=p+(2p(2p-1)2(2p-1))2p-1=p+p2p-1.
Ezzel azt kaptuk, hogy p2p<p+p2p-1, vagyis mivel p>2, ezért p<1p2p-2+1<2, ami ellentmondás. Tehát nem lehet a b!+p kifejezésnek p-nél sem nagyobb, sem kisebb prímosztója. Vagyis a nem más mint p-nek egy pozitív kitevős hatványa. Az imént láttuk, hogy a=p2 már túl nagy, vagyis az egyetlen lehetőség az a=p maradt.
Ekkor az egyenlet a következő alakot ölti: pp=b!+p, azaz
b!=pp-p=p(pp-1-1).
Nézzük meg, hogy a két oldal 2-nek mekkora hatványával osztható; egyrészt b>p miatt
ν2(b!)>⌊p2⌋,
másrészt az LTE-lemmát használva:
ν2(pp-p)=ν2(pp-1-1p-1)=ν2(p-1)+ν2(p+1)+ν2(p-1)-1.

Ha 4∣p-1, akkor ν2(p+1)=1, így ν2(pp-p)=2ν2(p-1)≤2log2p.
Ha 4∣p+1, akkor ν2(p-1)=1, így ν2(pp-p)=ν2(p+1)+1≤2log2p, ha p≥5.
Viszont, ha p≥19, akkor
⌊p2⌋=p-12>2log2p,2log219=2log2(16⋅1916)=8+2log21916<8+2log22=9=19-12.



Maradt azoknak az eseteknek a vizsgálata, amikor p<19:
p=3: 33-3=4! megoldás.
p=5: 55-5=3120 nem megoldás.
p=7:
77-7=7⋅(76-1)=7⋅(73-1)⋅(73+1)=7⋅342⋅344=7⋅342⋅8⋅43,
ami nem lehet megoldás, hiszen b<14, így 43∤b!.
p=11:
ν2(1111-11)=ν2(11+1)+1=3<11-12,
vagyis ez sem megoldás.
p=13:
ν2(1313-13)=2ν2(13-1)=4<13-12,
vagyis ez sem megoldás.
p=17:
ν2(1717-17)=2ν2(17-1)=8<⌊172⌋+⌊174⌋<ν2(17!),
vagyis ez sem megoldás.
Tehát két lehetséges megoldás van:
(a,b,p)=(2,2,2)  vagy  (3,4,3).