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关于丢番图方程(an)^x+(bn)^y=(cn)^z

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数学年刊A辑 2018,39(1):87-94 DOI:10.16205/j.cnki.cama.2018.0009 关于丢番图方程(an) +(bn)y=(on) 冰 孙翠芳 汤敏 提要设札,a,b,C是正整数,gcd(a,b,c)=1,a,b≥3,且丢番图方程a +bY=C 只有正整 数解(z,Y, )=(1,1,1).证明了若(z,Y, )是丢番图方程(on) 十(bn)y=(on) 的正整数解且 (z,Y,Z)≠(1,1,1),则Y<Z<。或 <Z<Y.还证明了当(a,b,C)=(3,5,8),(5,8,13),(8,13,21), (13,21,34)时,丢番图方程(an) +(bn)y=(cn) 只有正整数解(z,Y,Z)=(1,1,1). 关键词Je ̄manowicz猜想,丢番图方程,Fibonacci序列 MR(2000)主题分类11D61,11B39 中图法分类O156 文献标志码A 文章编号1000—8314(2018)01—0087—08 1引言 设( , z)是本原商高数组.Jegmanowicz[ 】曾猜想对于任意正整数n,丢番图方程 (礼 ) +(nY)y=(nZ) 只有正整数解( ,Y,Z)=(2,2,2).这是与商高数组有关的未解 决问题之一.很多数论工作者都研究过该猜想.虽然在很多特殊情况下,Jegmanowicz猜 想是正确的,但一般情形仍未解决.与Jegmanowicz猜想相类似的另一个问题是找出满足 丢番图方程a +by=C 只有正整数解(X,Y, )=(1,1,1)的所有三元正整数组(a,b,c). 2012年,Miyazaki和Togb6[2J证明了对于任意一个奇整数b≥5且b≠89,丢番图方程 b +2y=(b+2) 只有正整数解(X,Y,Z)=(1,1,1).2013年,汤敏和杨全会[3】考虑了丢 番图方程(bn)。+(2n)y=((6+2)n) ,证明了若b是一个不小于5的奇整数且丢番图方程 (bn) +(2n)y=((6+2)佗) 有正整数解( ,Y,Z)≠(1,1,1),则Y< <x或x≤ <Y.相 关问题可参考文『4-61. 本文推广了汤敏和杨全会的结论_2J. 定理1.1设他,a,b,C是正整数,gcd(a,b,c)=1,a,b≥3,且设丢番图方程a +by=C 只有正整数解(X,Y, )=(1,1,1).若(X,Y, )是丢番图方程 (an) +(bn) =(on) 的正整数解且(X,Y, )≠(1,1,1),则Y<z<x或 <z<Y. (1.1) 定理1.2若(a,b,C)=(3,5,8),(5,8,13),(8,13,21),(13,21,34),则丢番图方程(1.1)只 有正整数解( ,Y, )=(1,1,1). 本文2015年4月6日收到,2016年5月1日收到修改稿. 安徽师范大学数学计算机科学学院,安徽芜湖241003. E-mail:cuifangsun@163.corn;tmzzz2000@163.corn 本文受到国家自然科学基金(No.11471017)和安徽师范大学项目培育基金No.2014xmpyi1)的资助. (No.2012xmpy009 88 数学年刊A辑 39卷 注1.1设f 1是Fibonacci序列,它的递推关系式为 F0=0, F1=1, +2=Fk+1+ , ≥0. 由定理1.2知,当 =4,5,6,7时,对于所有正整数n,丢番图方程( 凡) +( +1n) = (Yk+2n) 只有正整数解(X,Y,z)=(1,1,1). 本文中,对干正整数n和素数P,若非负整数e满足P 整除n,但 + 不能整除n,我 们把e记为 (佗).对于正整数a和m满足gcd(a,m)=1,则使得同余式a 三1(mocl m) 成立的最小正整数九我们记为ordm(a). 2定理1.1的证明 设n>1.若(X,Y,Z)是丢番图方程(1.1)的正整数解且(z,Y,z)≠(1,1,1),则 ≥2. 否则的话,若z=1,则有 (an) +(bn) >an+bn (cn) , 矛盾.同时我们也可得到Z<max{x, ).否则的话,若z≥max{x, },则有 (。佗) +(6礼) ≤(。扎) +(6咒) <((n+6)n)。=(cn) , 矛盾.因此我们有2≤z<max{x, ).现在我们根据 ,Y,z的值分三种情况讨论. 情况1 z<X:Y.此时丢番图方程(1.1)可改写为 一(a +b )=(a+6) . t 设a+b=丌q 是a+b的标准分解式,其中ql,…,qt是互不相同的素数, 1,…,OZt 是正整数.于是我们可得 t t (11 qi ) + =Ⅱq , i=1 i=1 (2.1) 其中 1,…, 是非负整数.由a,b≥3知,等式(2.1)的左边不小于6,因此一定存在 i∈{1,…, },使得 ≥1. 若兀q =2 ,则 1≥3且b是奇数.于是由(2.1)可得(一b) +b 三0(mod 4),因 2=l 此 是奇数.若n q 至少含有一个奇素因数qi,则由(2.1)可得(一6) + 三0(mod qi). 由gcd(a,b,c)=1且c=0+b知gcd(b,c)=1.于是吼十b,因此X是奇数.再由(2.1)可得 ㈠广 ( ) 由Z<X=Y知 ≥3.对于任意1≤J≤t和m≥2,我们发现 (( ) t ) 孙翠芳汤敏 关于丢番图方程(an) +(bn)y=(on) 89 (f{X 【 jI ) m J 。m (卅 (( 二 )) m一 (m) >Uqj(X)+ J. 因此 (∑(一6) ,n=1 t 1]qj(X)+ J ( ) t ) 0 于是对于所有1≤J≤t,有岛=Yqj( )+ j.因而 g Ⅱ 、1 +b (Ⅱ _6/ {=1 注意到 = 口 ≤X, Ⅱ 0 g a,b≥3, ㈤ 6 乱 + 有 t + n 口 ( ) = (Ⅱ i=1 =1 x+bx≥(Ⅱt 一6)I1 : :等式成立仅当nt q t( 1,矛盾 Ⅱ g 情况2 Z≤Y< .此时丢番图方程(1.1)可改写为 rty-z a。n 一 +b )= (a+6) + (2.2) 情况2.1 gcd(n,a+b)=1.由(2.2)知Y= ,aXn一 =(a+b)y—by.因此Y≥2,并 且 =y -1(…Y) ~ (2.3) 设a=2 al,Y=2 Yl,其中OL1, 1≥0,2 f al,2十Y1 若O/1≥2,则b是奇数且 1>0.由 u2(i+1)≤ [【 o 1 g 2]J ≤i一1,i:2,…,Y一1 知 aiby-i-1)=u2( ( )未) 。 一 i=2,--. (2.4) 1= ( )+ (n)一1≥ 1+ 所以 ( (…Y aiby-i-1 q_bY-ly) . i=19O 数学年刊A辑 39卷 由(2.3)一(2.4)可得 1( ~1)≤ 1,于是有2∞(x-1j≤2阢≤Y< ,这是不可能的. 若OL1=1,则由a≥3知al≥3.设P是al的素因数,则P是奇数.由gcd(a,b,C)=l 和C=a+b知gcd(a,b)=1,于是从(2.3)可得PlY1.设Lip(Y1)= 2.由 ( + )≤[ 等 ]≤ 一 , = ,…, 一 知 ((…Y)aiby- ̄-1)= ( ( )等) 所以 …,…,y-1. (2-5) ( (Ⅲ Yil=aibyi1 y-ly+b) . ≤ 2.让P 跑遍由( )和(2.3  )可得 2.5 al(x 一1)Y1≤Y<X,这是不可能的. n1 所有不同的素因数,我们可得Ⅱ ≤ 情况2.2 gcd(n,a+b)=d>1.对于d的任意素因数P,由gcd(b,a+b):1可得 gcd(p,aXn一 + )=1,于是 (n )= ((0+6) )。由(2.2)可得 ( ) (aXrtx-y+㈣= a + b)/ . 可是我们也有 a +b+6)/ <(max{ )) <( ) (aXnx-y+ ). 矛盾. 情况3 z≤ <Y.此时丢番图方程(1.1)可改写为 正如情况2的证明一样,可推出(2.6)不成立 定理1.1得证. 3定理1.2的证明 根据(a,b,C)的取值分4种情况来证明. 情况1(a,b,C)=(3,5,8).先证明丢番图方程 3 十5 =8 (3.1) 只有正整数解(1,1,1).设丢番图方程(3.1)的正整数解(X,Y,z)≠(1,1,1),我们不难得到 2≤Z<max{x, ).由(3.1)可得z三 (mod 4).同时我们也可得到3 +5 兰0(mod 16), 于是 <J  3 兰3(mod 16), 口V <J 3 三11(orod 16), 【5y兰13(mod 16) I 5 三5(orod 16), 因此X三 三1(rood 4),Y三3(ood 4)或 三 三3(rmod 4),Y三1(mod 4),但是由 ord13(5)=ord13(8)=4得3 兰0(mod 13),矛盾. 1期 孙翠芳汤敏 关于丢番图方程(an) +(bn)U=(on) 91 现在我们可设n>1.由定理1.1,只需证明以下两种情况. 情况1.1 Y<z< .此时我们有 叫(8 一3=n一 ):5y. 注意到n—y f 5 ,我们可设n=5 ,其中 ≥1.由god(5,8 一3 5 (x-z))=1可得 Y= ( — ),以及 3 5卢(x-z)=8 一1三0(orod 7), 这是不可能的. 情况1.2 X<z<Y.此时我们有 nz--x(8 ~5Yn )=3 . 注意到n l 3 ,我们可设n=3 ,其中 ≥1.由god(3,8 一5Y3 ̄(y—z))=1可得 X= (z— ),以及 5Y3 ̄(y一 )=8 一1三0(orod 7), 这是不可能的. 情况2(a,b,C)=(5,8,13).我们先证明丢番图方程 5 +8 =13 (3.2) 只有正整数解(1,1,1). 由(3.2)得5 +8u三0(mod 13),3u三3 (orod 5),2。+2u三l(orod 3),于是 X兰 三 三l(mod 4)或X三Y三 三3(orod 4).若Y>1,则有5 兰13 (orod 16),于 是X三1(orod 4), 三3(rood 4)或 兰3(mod 4), 兰1(orod 4),这是不可能的.因此 Y=1, 三 三1(orod 4). 若X>1, >1,由(3.2)得5(5一 一1)=13(13 一1).由z兰1(orod 4)知 13 一1三0(rood 7),于是5 一1三0(orod 7),所以 三1(orod 12).此时5z_。一1三0 (orod 31),于是13 一1兰0(mod 31),所以Z兰1(mod 6O).但是此时13z一一1三0 (orod 52),矛盾. 现在我们可设n>1.由定理1.1,只需证明以下两种情况. 情况2.1 Y<Z< .此时我们有 nZ-y(13 一5Xn。一 1=8u. 注意到nz-y I 8u,我们可设n:2卢,其中 ≥1.由gcd(2,13 一5。2 (z— ))=1可得 3y= (z一 ),以及 5 2 (x-z)=13 一1三0(orod 3), 这是不可能的. 情况2.2 X<z<Y.此时我们有 nZ-X(1a 一8Un 一 1:5 . 注意到n I 5 ,我们可设n=5卢,其中 ≥1.由gcd(5,13 一8Y5 ̄(y—z))=1可得 = ( — ),以及 8Y5 ̄(y一 )=13 一1三0 forod 3), 92 数学年刊A辑 39卷 这是不可能的. 情况3(a,b,c)=(8,13,21).我们先证明丢番图方程 8 +13 =21 (3.3) 只有正整数解(1,1,1). 由(3.3)得1+6 三0(mod 7),2 +1三0(orod 3),3 +3y三1(orod 5),8 兰8。 (ood 13),于是 三 三z三1(rood r4).若 >1,则有13v兰5 (rood 16),于是 三1 (ood 4),r 三3(ood 4)或 三3(rood 4),r 三1(ood r4),这是不可能的.因此 =1, 三Z兰l(ood r4). 若 >1,Z>1,由(3.3)得13(13 ̄一一1)=21(21 _。一1).由 兰1(rood 4) 知21 一1三0(ood 11),于是13y一一1三0(rood 11),所以 兰1(rood 2O).此时 r13v_。一1三0(mod 3O941),于是21 一1三0(ood 30941),因而Z兰1(rood 3O94O).但 r是此时21 一1三0(ood 13。),矛盾.r 现在我们可设礼>1.由定理1.1,只需证明以下两种情况. 情况3.1 < < .此时我们有 nz--Y(21。~8 n 一 1=13 . 注意到n = l13y,我们可设n=13卢,其中 ≥1.由gcd(13,21。一8x13 (:c-z))=1可得 8 13卢(x-z)=21 一1三0(ood 5),r 9(z一 ),以及 这是不可能的. 情况3.2 <Z< .此时我们有 nz-m(21 一13 n 一。1=8 . 注意到礼  l8 ,我们可设礼=2卢,其中 ≥1.由god(2,21 一13v2 ̄(y一 ))=1可得 13Y2 ̄(v一 )=21 一1三0(ood 5),r 3x=9(z~ ),以及 这是不可能的. 情况4(a,b,c)=(13,21,34).若礼=1,则有 =1.否则的话,若。>1,则有34 三0 (mod 4),但是13 +21v三2(ood 4),矛盾.此时不难得到 = =1.r 现在我们可设n>1.由定理1.1,只需证明以下两种情况. 情况4.1 <z< .此时我们有 nz--Y(34 ~13 佗 一 1=21 . (3.4) 注意到佗 l 21u,我们有礼=3 7卢,其中 + ≥1.此时(3.4)可改写为 34z一13=3 ̄(x—z)7卢(z—z):3y—a( —y)7u一卢(z ) .若 >0, =0,贝4有 =血(2一 ),以及 34z一】3x3 ̄(x— ):7v. (3.5) 由 >1,我们可得(一1)。(x-z)+(一1) 三0(mod 4),于是 ( — )兰 +l三 ( 一 )+1 (ood 2),因而 (r 一 )兰1(mod 2),所以 , 有不同的奇偶性.若 是奇数, 是偶数: 1期 孙翠芳汤敏 关于丢番图方程(an) +(bn)y=(on) 93 则有 ( — )三1(mod 2),于是Z是偶数.若X是偶数,Y是奇数,则有&(z—Y)三1 (mod 2),此时 也是偶数.由(3.5)我们可得8。三7v(mod 13),于是 』8<I   三12(mod 13),或J口 C 8 1 mod 13), 7y三12(mod 13)钠l 7y三1(orod l3), 因此Z三2(mod 4),Y三6(ood r12),或Z三0(orod 4),Y三0(mod 12).同时我们也有 1—3x+a(x-z)三2 (mod 5),因此x+a(x— )三3(mod 4),但是x+a(x— )三0(mod 2), 矛盾. 若 =0, >0,贝Ⅱ有Y= (z一 ),以及 34 一13 7Z(x-z)=3y. (3.6) 由z>1可得(一1)卢(x-z)+(一1)y三0(ood 4),于是9(rx—z)三Y+1三 ( —Y)+l (mod 2),因而9(x—Y)三1(orod 2),所以 ,Y有不同的奇偶性.若X是奇数,Y是偶数,则 有 ( — )三1(mod 2),因此Z是偶数.若X是偶数,Y是奇数,则有 (z—Y)三1(mod 2), 因此z同样是偶数.由(3.6),我们可得1兰3y(mod 7),于是 三0(rood 6).同时我们 也有1+3计卢(x-z)三3y(mod 5),因此X+ ( —z)三1(ood 4),但是X-r4- ( — )三0 (mod 2),矛盾. 若Q>0, >0,贝0有Y= ( 一 )= ( 一 ),以及 13 3 x-z)7。x-z)=34 一1兰0(mod 11), 矛盾. 情况4.2 <Z<Y.此时我们有 nz--x(34 一21 n 一 1=13 . 注意到n一 I 13 ,我们可设n=l3卢,其中 ≥1.由gcd(13,34 一21Y135(Y一 ))=1可得 21Yl3B(Y一 )=34 一1三0(mod 11), 矛盾. 定理1.2得证. 致谢衷心感谢审稿人和编辑部的修改意见. 参 考 文 献 [1】J6smanowicz L.Several remarks on Pythagorean numbers[J】_Wiadom Mat,1955—1956, 1:196-202. [2]Miyazaki T,Togb5 A.The Diophantine equation(2am一1) +(2m)Y=(2am+1) [J]. /nt J Number Theory,2012,8:2035—2044. [3]Tang M,Yang Q H.The Diophantine equation(bn) +(2n) =((6+2)几) [J】.Colloq Math,2013,132:95—100. [4】Deng M J,Cohen G L.A note on a conjecture of Jegmanowicz[J].CoUoq Math,2000, 86:25-30. [5】Marques D,Togb ̄A.On the sum of powers of two consecutive Fibonacci numbers[J]. Proc Japan Acad Set A Math Sci,2010,86:174—176. 数学年刊A辑 39卷 Miyazaki T.Generalizations of classical results on Jegmanowicz’conjecture concerning pythagorean triples[J].J Number Theory,2013,133:583—595. On the Diophantine Equation(an) +(bn) =(on) SUN Cuifang TANG Min School of Mathematics and Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu 241003,Anhui,China.E—mail:cuifangsun@163.com;tmzzz2000@163.com Abstract Let n,a,b,C be positive integers with gcd(a,b,C)=1,a,b≥3 and the Diophan— tine equation a +bu=c has only the positive integer solution(X,Y,Z)=(1,1,1).In this paper,the authors prove that if(X,Y,z)is a positive integer solution of the Diophantine equa- tion(an) +(6礼) =(cn) with(z,Y, )≠(1,1,1),then Y< <z or x< <Y.The authors also show that when(a,b,C)=(3,5,8),(5,8,13),(8,13,21),(13,21,34),the Diophantine e— quation(an) +(bn)v=(c佗) has only the positive integer solution(z,Y,Z)=(1,1,1). Keywords Jegmanowicz’conjecture,Diophantine equation,Fibonacci sequence 2000 MR Subject Classification Primary 1 1D61.1 1B39 The English translation of this paper will be published in Chinese Journal of Contemporary Mathematics,Vo1.39 No.1,2018 by ALLERTON PRESS,INC.,USA 

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