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2022 年北京预赛
单位分数方程的整数解
F3填空题数论
方程
x21+y1+z1=34
有组整数解。
作答
分数写 a/b,根号写 √ 或 sqrt,π 写 pi 也可以。
标准答案:14
解析
思路
右端减去 1/x2 大于 1 时,y,z 的符号和大小会被强烈限制。
解答
所有分母均非零。
当 ∣x∣=1 时,
y1+z1=31,(y−3)(z−3)=9.
枚举 9 的正负整数因子,排除使分母为零的情形,得到
(y,z)=(4,12),(6,6),(12,4),(2,−6),(−6,2),
共 5 组;x=±1,故贡献 10 组。
当 ∣x∣=2 时,
y1+z1=1213>1.
若一正一负,和不可能大于 1;若均为正,则至少一个等于 1,从而
(y,z)=(1,12),(12,1).
这对 x=±2 共贡献 4 组。
当 ∣x∣≥3 时,
y1+z1=34−x21>1.
同理 y,z 均为正且至少一个等于 1。若 y=1,则
z=x2−33x2=3+x2−39.
于是 x2−3 必须整除 9;但 ∣x∣≥3 时 x2−3≥6,不存在这样的平方 x2。交换 y,z 也一样。
综上,整数解共有
10+4=14
组。
复核
题中 x 只以平方出现,所以每一组 (∣x∣,y,z) 都对应两个不同的 x;有序对 (y,z) 不能合并。
方法总结
单位分数方程先用大小关系迫使某个分母很小,再用整除条件结束有限分类。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
需保留负分母并先按|x|=1、2、至少3分层,利用倒数和大于1锁定某分母为1;剩余有限因子和平方条件逐一筛选。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:配成乘积,枚举因数对、有限枚举与去重
专题卡:添项配积与因数配对、排序限界与有限分类