Dado que a + b = c + d y a ^ 3 + b ^ 3 = c ^ 3 + d ^ 3, ¿cómo pruebo que a ^ 2011 + b ^ 2011 = c ^ 2011 + d ^ 2011?

Krzysztof Kacprzyk y Bruno Visnadi no me han dejado mucho que añadir.


Desde

[matemáticas] a ^ 3 + b ^ 3 = (a + b) ^ 3 – 3ab (a + b), c ^ 3 + d ^ 3 = (c + d) ^ 3 – 3cd (c + d), [ /matemáticas]

[matemáticas] a + b = c + d, a ^ 3 + b ^ 3 = c ^ 3 + d ^ 3 [/ matemáticas]

concluimos, al restar, que

[matemáticas] 0 = (a ^ 3 + b ^ 3) – (c ^ 3 + d ^ 3) = 3 (ab-cd) (a + b) [/ matemáticas].

Si [matemáticas] a + b = 0 = c + d [/ matemáticas], entonces [matemáticas] a ^ {2n-1} + b ^ {2n-1} = 0 = c ^ {2n-1} + d ^ {2n-1} [/ math], ya que [math] (x + y) \ mid (x ^ {2n-1} + y ^ {2n-1}) [/ math] para cualquier [math] n \ in \ mathbb N. [/ math]

De lo contrario [math] ab = cd [/ math]; suponga que [matemática] a ^ k + b ^ k = c ^ k + d ^ k [/ matemática] para [matemática] k \ in \ {1,2,3, \ ldots, n \} [/ matemática]. Luego

[matemáticas] a ^ {n + 1} + b ^ {n + 1} = (a + b) (a ^ n + b ^ n) – ab (a ^ {n-1} + b ^ {n-1 }) [/matemáticas]

[matemáticas] = (c + d) (c ^ n + d ^ n) – cd (c ^ {n-1} + d ^ {n-1}) [/ matemáticas]

[matemáticas] = c ^ {n + 1} + d ^ {n + 1} [/ matemáticas].

Como [matemática] a ^ k + b ^ k = c ^ k + d ^ k [/ matemática] es válida para [matemática] k = 1 [/ matemática], la prueba de que [matemática] a ^ n + b ^ n = c ^ n + d ^ n [/ math] para [math] n \ in \ mathbb N [/ math] se completa por inducción matemática . [matemáticas] \ blacksquare [/ matemáticas]

Entonces comencemos.

Usted sabe que [math] ab = cd [/ math], por lo que tampoco es difícil demostrar que [math] a ^ 2 + b ^ 2 = c ^ 2 + d ^ 2 [/ math] (tiene que cuadrar el primera ecuación y uso [math] ab = cd [/ math])

Entonces ahora sabes que las ecuaciones:

[matemáticas] a ^ k + b ^ k = c ^ k + d ^ k [/ matemáticas] son ​​verdaderas para [matemáticas] k = 1,2,3 [/ matemáticas]

Ahora vamos a demostrar por inducción que son verdaderas para cada positivo [matemáticas] k [/ matemáticas]

Nuestros casos base son para [matemáticas] k = 1 [/ matemáticas] y [matemáticas] k = 2 [/ matemáticas]

Asumimos que nuestra hipótesis es verdadera para cada exponente menor que [math] k [/ math] (inducción fuerte) y demostramos que es verdad para [math] k + 1 [/ math].

Multiplicamos la ecuación [matemáticas] a ^ k + b ^ k = c ^ k + d ^ k [/ matemáticas] por [matemáticas] a + b = c + d [/ matemáticas]

Obtenemos [matemáticas] a ^ {k + 1} + b ^ {k + 1} + ab (a ^ {k-1} + b ^ {k-1}) = c ^ {k + 1} + d ^ {k + 1} + cd (c ^ {k-1} + d ^ {k-1}) [/ matemática]

De nuestra hipótesis de inducción y [math] ab = cd [/ math] podemos inferir que [math] ab (a ^ {k-1} + b ^ {k-1}) = cd (c ^ {k-1} + d ^ {k-1}) [/ matemáticas].

Por eso, [matemáticas] a ^ {k + 1} + b ^ {k + 1} = c ^ {k + 1} + d ^ {k + 1} [/ matemáticas]

Gracias al principio de inducción podemos concluir que [matemática] a ^ k + b ^ k = c ^ k + d ^ k [/ matemática] por cada [matemática] k [/ matemática] positiva. También para [matemáticas] k = 2011 [/ matemáticas].

[matemáticas] (a + b) ^ 3 = (c + d) ^ 3 [/ matemáticas]
[matemáticas] a ^ 3 + 3a ^ 2b + 3b ^ 2a + b ^ 3 = c ^ 3 + 3c ^ 2d + 3d ^ 2c + d ^ 3 [/ matemáticas]
[matemáticas] 3 (a + b) ab = 3 (c + d) cd [/ matemáticas]
[matemáticas] ab = cd [/ matemáticas]

Sea [math] k = (a + b) = (c + d) [/ math] para que [math] y = a – k [/ math] y [math] x = c – k [/ math]

[matemáticas] (k + x) (k – x) = (k + y) (k – y) [/ matemáticas]
[matemáticas] k ^ 2 – x ^ 2 = k ^ 2 – y ^ 2 [/ matemáticas]
[matemáticas] | x | = | y | [/ matemáticas]

Eso significa que los conjuntos [matemática] [a, b] [/ matemática] y [matemática] [c, d] [/ matemática] son ​​los mismos. Es decir:

[math] max (a, b) = max (c, d) [/ math] y [math] min (a, b) = min (c, d) [/ math]

Y, por supuesto, se deduce que [matemáticas] (max (a, b)) ^ k + (min (a, b)) ^ k = (max (c, d)) ^ k + (min (c, d) ) ^ k [/ math] por cada [math] k [/ math].

a + b = c + d; y ab = cd que has probado es todo lo que es necesario.

[matemáticas] (ab) ^ 2 = (a + b) ^ 2–4ab = (c + d) ^ 2–4cd = (cd) ^ 2 [/ matemáticas]

entonces [matemáticas] ab = \ pm (cd) [/ matemáticas]

Combinando los dos obtenemos [matemática] \ {a = c, b = d \} [/ matemática] o [matemática] \ {a = d, b = c \} [/ matemática]

En cualquier caso [matemáticas] a ^ {2011} + b ^ {2011} = c ^ {2011} + d ^ {2011} [/ matemáticas]

Veo esto como un caso específico de uso de inducción.

a ^ n + b ^ n = c ^ n + d ^ n

P (1) está dado. P (3) está dado que da ab = cd.

P (n) siendo verdadero, pruebe P (n + 1) utilizando esta información.

Por lo tanto, es cierto para todos los n.