Shortlist 2021, N1¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : non indiqué
Concepts : Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Équations diophantiennes : factorisation et encadrement
Solution officielle : Shortlist officielle 2021 (avec solutions), p. 68 (page 68 du PDF)
Énoncé¶
Determine all integers \(n \geq 1\) for which there exists a pair of positive integers \((a, b)\) such that no cube of a prime divides \(a^2 + b + 3\) and
Indices : les idées clés
- Congruences : modulo \(a^2 + b + 3\), on remplace \(b\) par \(-a^2 - 3\), et le numérateur devient \(-(a+1)^3\).
- Divisibilité et PGCD : un diviseur de \((a+1)^3\) sans facteur cube divise \((a+1)^2\).
- Encadrement : \(0 < (a+1)^2 < 2(a^2 + b + 3)\) force l'égalité \((a+1)^2 = a^2 + b + 3\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2021 (une solution).
Réponse : seul \(n = 2\) convient.
Solution 1¶
Notons \(D = a^2 + b + 3\). Comme \(b \equiv -a^2 - 3 \pmod{D}\), le numérateur vérifie la congruence
Puisque la fraction vaut l'entier \(n\), \(D\) divise le numérateur, donc \(D \mid (a+1)^3\).
Comme \(D\) n'est divisible par \(p^3\) pour aucun premier \(p\), chaque premier \(p\) divisant \(D\) y figure avec un exposant \(1\) ou \(2\) ; et \(p \mid (a+1)^3\) entraîne \(p \mid a+1\), donc \(p^2 \mid (a+1)^2\). Ainsi \(D\) divise aussi \((a+1)^2\).
Or
car \(2(a^2 + b + 3) - (a+1)^2 = (a-1)^2 + 2b + 4 > 0\). Le seul multiple de \(D\) strictement compris entre \(0\) et \(2D\) est \(D\) lui-même, donc (encadrement)
Alors \(ab + 3b + 8 = 2(a-1)(a+3) + 8 = 2(a+1)^2 = 2D\), donc \(n = 2\).
Réciproquement, \((a, b) = (2, 2)\) donne \(a^2 + b + 3 = 9\), qui n'est divisible par aucun cube de premier, et \(\frac{ab + 3b + 8}{a^2 + b + 3} = \frac{18}{9} = 2\). Donc \(n = 2\) est bien solution, et c'est la seule. \(\blacksquare\)