【11】整数问题

题11.1 已知a,b\in \mathbb N_+,求证:
(1) \frac{b^2}{a^2+ab}不是整数。
(2) 区间\left[\frac{b^2}{a^2+ab},\frac{b^2}{a^2+ab-1}\right)中没有整数。

证明 (1) 假设\frac{b^2}{a^2+ab}=k是正整数,则关于b的二次方程b^2-kab-ka^2=0\\
有正整数解,这说明\Delta =k^2a^2+4ka^2是平方数。
a\in \mathbb N_+,故k^2+4k是平方数。
另一方面,因k^k<k^2+4k<(k+2)^2,故k^2+4k=(k+1)^2,展开移项化简得:2k=1\\这与k是正整数矛盾。所以假设不成立,所以 \frac{b^2}{a^2+ab}不是整数。
(2) 假设有整数k\in \left[\frac{b^2}{a^2+ab},\frac{b^2}{a^2+ab-1}\right),根据(1),区间的左端点不为整数,所以:
\tag{11.1.1} \frac{b^2}{a^2+ab}< k<\frac{b^2}{a^2+ab-1}
则:
\frac{b^2}{a^2+ab}< k \Rightarrow \frac{k-\sqrt{k^2+4k}}{2}<\frac{b}a< \frac{k+\sqrt{k^2+4k}}{2}
\frac{b^2}{a^2+ab-1}> k \Rightarrow \frac{b}a<\frac{k-\sqrt{k^2+4k(1-1/a^2)}}2\frac{b}a>\frac{k+\sqrt{k^2+4k(1-1/a^2)}}2
上面不等式合并得:
\tag{11.1.2}\frac{b}a\in \left[\frac{k-\sqrt{k^2+4k}}{2},\frac{k-\sqrt{k^2+4k(1-1/a^2)}}2\right)

\tag{11.1.3}\frac{b}a\in \left(\frac{k+\sqrt{k^2+4k(1-1/a^2)}}2,\frac{k+\sqrt{k^2+4k}}2\right)
(11.1.2)蕴含着b/a<0,舍去。
注意到:
k\le \frac{k+\sqrt{k^2+4k(1-1/a^2)}}2<\frac{k+\sqrt{k^2+4k}}2\le k+1
k<\frac{b}a< k+1,于是可以作带余除法b=ka+r\\r\in\{1,2,...,a-1\}
将之代入(11.1.1)得:
\frac{(ka+r)^2}{a^2+a(ka+r)}< k <\frac{(ka+r)^2}{a^2+a(ka+r)-1}\\ \Rightarrow kar+r^2< ka^2<kar+r^2+k\\ \Rightarrow \frac{r^2}{a^2-ar}<k<\frac{r^2}{a^2-ar-1}
r\in \{1,2,...,a-1\},令a=m+r,m\in\{1,2,...,a-1\},则上式变为:
\tag{11.1.4}\frac{r^2}{m^2+mr}<k<\frac{r^2}{m^2+mr}
其中r<b,m<a,这说明,若存在a,b使区间\left[\frac{b^2}{a^2+ab},\frac{b^2}{a^2+ab-1}\right)内有整数,则必存在r<b,m<a,使区间\left[\frac{r^2}{m^2+mr},\frac{r^2}{m^2+mr}\right)有整数。这就构造了一个无穷递降,矛盾。所以假设不成立,命题成立。
\blacksquare

题11.2 证明: \sqrt 2是无理数。
证明 假设\sqrt 2是有理数,那么存在互素的正整数p,q,满足\frac{p}q=\sqrt 2,从而有\tag{11.2.1}\frac{p^2}{q^2}=2
于是知1<p/q<2,所以存在一个r,使\tag{11.2.2}p=q+r
1\le r<q\\(q,r)=1,
代入(11.2.1),化整并整理得:2r+r^2/q=q\\
所以q|r^2,因(q,r)=1,故q|r。这与1\le r<q矛盾。假设不成立,命题成立。

评注11.3 题11.2是一个古老的问题,一般使用无穷递降法解决,(11.2.2)巧妙构造并利用带余除法,推导一个整除性矛盾,最终证明了命题。

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