Shortlist 2015, N5¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : Serbia
Concepts : Équations diophantiennes : factorisation et encadrement · Valuations p-adiques et lemme LTE · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
Solution officielle : Shortlist officielle 2015 (avec solutions), p. 70 (page 71 du PDF)
Problème 2 de l'OIM 2015
Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2015, où il était le problème 2 (jour 1).
Énoncé¶
Determine all triples \((a, b, c)\) of positive integers for which \(ab - c\), \(bc - a\), and \(ca - b\) are powers of \(2\).
Explanation: A power of \(2\) is an integer of the form \(2^n\), where \(n\) denotes some nonnegative integer.
Indices : les idées clés
- Encadrement : en ordonnant \(a < b < c\), une puissance de \(2\) divisible par \(2^\beta\) et majorée force \(a\) à être très petit (\(a = 2\) ou \(a = 3\)).
- Valuations 2-adiques : comparer la plus grande puissance de \(2\) dans des combinaisons comme \((b + a\vartheta)(c - \vartheta)\) (solution 1) ou \((ab-2)(a+b)\) (solution 2).
- Congruences modulo 4 : une puissance de \(2\) n'est pas \(\equiv -1 \pmod 4\) ; parmi \(b+a\) et \(b-a\) (\(a\) impair), un seul est divisible par \(4\).
- Étude des parités (solution 2) : tous pairs, tous impairs, ou parités mélangées.
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2015 (deux solutions et une remarque).
Réponse. Il y a seize triplets : \((2, 2, 2)\), les trois permutations de \((2, 2, 3)\), et les six permutations de chacun des triplets \((2, 6, 11)\) et \((3, 5, 7)\).
Solution 1¶
On vérifie facilement que ces seize triplets conviennent. Soit maintenant \((a, b, c)\) un triplet ayant la propriété voulue. Si \(a = 1\), alors \(b - c\) et \(c - b\) seraient tous deux des puissances de \(2\), ce qui est impossible car leur somme est nulle ; par symétrie, \(a, b, c \geq 2\).
Cas 1 : deux des nombres sont égaux. Supposons \(a = b\). Alors \(a^2 - c\) et \(a(c - 1)\) sont des puissances de \(2\). La seconde condition montre que \(a\) et \(c - 1\) sont des puissances de \(2\) : \(a = 2^\alpha\) et \(c = 2^\gamma + 1\). Comme \(a^2 - c = 2^{2\alpha} - 2^\gamma - 1\) est une puissance de \(2\), elle n'est pas congrue à \(-1\) modulo \(4\), donc \(\gamma \leq 1\). De plus, \(2^{2\alpha} - 2\) et \(2^{2\alpha} - 3\) ne peuvent être des puissances de \(2\) que si \(\alpha = 1\). Donc \((a, b, c) = (2, 2, 2)\) ou \((2, 2, 3)\).
Cas 2 : \(a\), \(b\), \(c\) sont distincts. Par symétrie, on suppose
Il faut montrer que \((a, b, c)\) est \((2, 6, 11)\) ou \((3, 5, 7)\). Il existe des entiers \(\alpha, \beta, \gamma \geq 0\) tels que
Évidemment
Cas 2.1 : \(a = 2\). Montrons d'abord que \(\gamma = 0\). Sinon \(\gamma > 0\), donc \(c\) est pair par (4), et \(b\) est pair par (5) et (3). Le membre de gauche de (2) est alors congru à \(2\) modulo \(4\), ce qui n'est possible que si \(bc = 4\), contredisant (1). Donc \(\gamma = 0\), c'est-à-dire \(c = 2b - 1\).
Alors (3) donne \(3b - 2 = 2^\beta\). Comme \(b > 2\), cela impose \(\beta \geq 4\). Si \(\beta = 4\), on obtient \(b = 6\) et \(c = 11\), qui est une solution. Reste le cas \(\beta \geq 5\). Alors (2) donne
et comme \(\beta \geq 5\), le membre de droite n'est pas divisible par \(32\). Donc \(\alpha \leq 4\), ce qui contredit (5).
Cas 2.2 : \(a \geq 3\). Choisissons \(\vartheta \in \{-1, +1\}\) tel que \(c - \vartheta\) ne soit pas divisible par \(4\). Alors
est divisible par \(2^\beta\), donc (valuations 2-adiques) \(b + a\vartheta\) est divisible par \(2^{\beta - 1}\). D'autre part, \(2^\beta = ac - b > (a - 1)c \geq 2c\) entraîne, avec (1), que \(a\) et \(b\) sont inférieurs à \(2^{\beta - 1}\). Tout cela n'est possible que si \(\vartheta = 1\) et \(a + b = 2^{\beta - 1}\). Alors (3) donne
d'où \(4b > a + 3b = a(c - 1) \geq ab\), ce qui impose \(a = 3\).
Alors (6) se simplifie en \(c = b + 2\), et (2) dit que \(b(b+2) - 3 = (b - 1)(b + 3)\) est une puissance de \(2\). Donc \(b - 1\) et \(b + 3\) sont des puissances de \(2\) ; leur différence étant \(4\), on a \(b = 5\), d'où \(c = 7\). \(\blacksquare\)
Solution 2¶
Comme au début de la solution 1, \(a, b, c \geq 2\). On distingue trois cas selon les parités.
Cas 1 : \(a\), \(b\), \(c\) sont pairs. Soient \(2^A\), \(2^B\), \(2^C\) les plus grandes puissances de \(2\) divisant \(a\), \(b\), \(c\) ; on peut supposer \(1 \leq A \leq B \leq C\). Alors \(2^B\) est la plus grande puissance de \(2\) divisant \(ac - b\), donc \(ac - b = 2^B \leq b\). De même \(bc - a = 2^A \leq a\). En additionnant, \((a + b)c \leq 2(a + b)\), donc \(c \leq 2\). Ainsi \(c = 2\), \(A = B = C = 1\), et toutes les inégalités sont des égalités : \(a = 2\), \(b = 2\). On trouve la solution \((2, 2, 2)\).
Cas 2 : \(a\), \(b\), \(c\) sont impairs. Si deux d'entre eux sont égaux, disons \(a = b\), alors \(ac - b = a(c - 1)\) a un diviseur impair non trivial : impossible. Donc ils sont distincts, et on peut supposer \(a < b < c\). Soient \(\alpha\), \(\beta\) tels que \(bc - a = 2^\alpha\) et \(ac - b = 2^\beta\). On a \(\alpha > \beta\), donc \(2^\beta\) divise
Comme \(a\) est impair, \(b + a\) et \(b - a\) ne sont pas tous deux divisibles par \(4\). L'un d'eux est donc multiple de \(2^{\beta - 1}\), donc l'un des nombres \(2(b + a)\), \(2(b - a)\) est divisible par \(2^\beta\), et dans les deux cas
Ainsi \((a - 1)b < ac - b < 4b\), d'où \(a = 3\) (\(a\) impair et \(a > 1\)). En reportant dans (7), \(c \leq b + 2\). Mais par parité, \(b < c\) entraîne \(b + 2 \leq c\). Donc \(c = b + 2\), et comme \(bc - a = (b - 1)(b + 3)\) est une puissance de \(2\), on obtient \(b = 5\) et \(c = 7\).
Cas 3 : les deux parités apparaissent. On suppose \(c\) impair et \(a \leq b\) ; il faut montrer que \((a, b, c)\) est \((2, 2, 3)\) ou \((2, 6, 11)\). Comme \(a\) ou \(b\) est pair, \(ab - c\) est impair ; c'est une puissance de \(2\), donc
Si \(a = b\), alors \(c = a^2 - 1\), et \(ac - b = a(a^2 - 2)\) est une puissance de \(2\), donc \(a\) et \(a^2 - 2\) aussi, d'où \(a = 2\) : solution \((2, 2, 3)\).
Supposons désormais \(a < b\), et soient \(\alpha > \beta\) tels que
Si \(\beta = 0\), on aurait \(ac - b = ab - c = 1\), d'où \(b = c = 1\) : absurde. Donc \(\alpha\) et \(\beta\) sont positifs, et \(a\), \(b\) sont pairs. En remplaçant \(c = ab - 1\) dans (9) :
En additionnant, \(2^\alpha + 2^\beta = (ab - 2)(a + b)\). Or \(ab - 2\) est pair mais pas divisible par \(4\), donc la plus grande puissance de \(2\) divisant \(a + b\) est \(2^{\beta - 1}\). Par (10) et (11), la plus grande puissance de \(2\) divisant \(ab^2\), et celle divisant \(a^2 b\), sont aussi \(2^{\beta - 1}\). Il existe donc un entier \(\tau \geq 1\) et des entiers impairs \(A\), \(B\), \(C\) tels que
On a \(A + B = 2^{2\tau} C \geq 4C\). De plus, (11) donne \(A^2 B - C = 2\). Donc
Comme \(A < B\) sont impairs, cela impose \(A = 1\) et \(B = 3\). On conclut \(C = 1\), \(\tau = 1\), \(a = 2\), \(b = 6\), \(c = 11\) : le triplet \((2, 6, 11)\). Ceci achève le cas 3 et la solution. \(\blacksquare\)
Remarques¶
Remarque (autre traitement du sous-cas \(a < b\) du cas 3 de la solution 2). On part de (8) et (9). Soit \(d = \gcd(a, b)\), \(a = dp\), \(b = dq\), avec \(p < q\) et \(\gcd(p, q) = 1\). Par (8), \(c = d^2 pq - 1\), donc
Alors \(2^\beta\) divise \(2^\alpha - 2^\beta = d^3 pq(q - p)\) ; comme \(p\) et \(q\) sont premiers avec \(d^2 p^2 q - p - q\),
En particulier \(d^2 p^2 q - p - q \leq d^2(q - p)\), soit \(d^2(p^2 q + p - q) \leq p + q\). Comme \(p^2 q + p - q > 0\), on en déduit \(p^2 q + p - q \leq p + q\), donc \(p^2 q \leq 2q\) et \(p = 1\). Alors (13) devient
Si \(2(d^2 q - q - 1) \leq d^2(q - 1)\), on aurait \(d^2(q + 1) \leq 2(q + 1)\), donc \(d = 1\) et \(a = 1\) : absurde. Donc \(2(d^2 q - q - 1) > d^2(q - 1)\) et (14) impose \(d^2 q - q - 1 = d^2(q - 1)\), soit \(q = d^2 - 1\). Dans (12), \(2^\beta = d^3(d^2 - 2)\), donc \(d\) et \(d^2 - 2\) sont des puissances de \(2\) : \(d = 2\), \(q = 3\), \(a = 2\), \(b = 6\), \(c = 11\).