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[数论] 解不定方程$3^x+4^y=5^z$

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abababa Posted 2021-3-21 11:43 |Read mode
如题,解不定方程$3^x+4^y=5^z$。这个对于非负整数解,我能解出来两个并证明只有这两个:$x=0,y=1,z=1$和$x=y=z=2$,但对于负整数解,会不会有呢?

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realnumber Posted 2021-3-22 09:22
应该不会有,仅一个负的,比如x<0,
令x=-t, 可得$1=(5^x-4^y)3^t\ge 3>1$矛盾
两个负的,比如x<0,y<0,左边小于1,右边大于1,矛盾
三个负的可得$5^{-z}(3^{-x}+4^{-y})=3^{-x}4^{-y}>12$
左边是5的倍数,右边不是,矛盾.

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 Author| abababa Posted 2021-3-22 09:37
回复 2# realnumber

三个都是负数时可以全取相反数,然后代入转为正的(见下面的证明),只有一个负的可以根据整数对加法的封闭性知道无解,最关键的就是有两个负的,这个原来是要用不等式控制一下才能解出来,根据楼上的提示,我的证明是这样的:
当$x < 0$时,假设$y\ge0$则$5^z=3^x+4^y>1$,因此必有$z>0$,所以$4^y,5^z$为整数,而$3^x$为分数,无解,所以必有$y<0$,于是$5^z=3^x+4^y<3^{-1}+4^{-1}<1$,所以$z<0$,即$x,y,z<0$。令$(a,b,c)=(-x,-y,-z)$,方程即为$5^c(4^b+3^a)=3^a4^b$,两边模$5$知无解。
当$x>0$时,若$y<0$则左边不是整数,因此右边也不是整数,必有$z<0$,但此时$1>5^z=3^x+4^y>3^x>3$,无解。所以必有$y\ge0$,由整数性知必有$z>0$。
这样就证明了没有负整数解了。

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2025-5-31 11:17 GMT+8

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