我需要求解方程 x2+y2+z2=2025 的非负整数解的个数。非负整数意味着 x,y,z 可以是0或正整数。
首先,我需要了解如何计算三个平方数之和等于一个给定数的解的个数。这涉及到数论中的平方和问题。
我回忆一下,一个数可以表示为三个平方数之和的条件。根据Legendre's three-square theorem,一个正整数可以表示为三个平方数之和当且仅当它不能写成 4a(8b+7) 的形式,其中 a 和 b 是非负整数。
但这里我需要的是解的个数,而不仅仅是是否可以表示。
我需要一个更直接的方法来计算解的个数。
一个方法是遍历所有可能的 x,y,z 值,计算 x2+y2+z2=2025,并计数满足等式的解。但由于2025不是很大,我可以考虑范围。
x,y,z 是非负整数,所以它们的平方和等于2025。
首先,确定每个变量的最大可能值。由于 x2≤2025,所以 x≤⌊2025⌋。
计算 2025。我知道 452=2025,因为 402=1600, 52=25, 交叉项 2×40×5=400,所以 (40+5)2=1600+400+25=2025。是的,452=2025。
所以 x,y,z 都可以从0到45。
但遍历所有可能的组合,x 有46个可能值(0到45),同样 y 和 z 也是,所以总共有 463=97336 个组合。这有点大,手动计算不现实,我需要一个更聪明的方法。
我可以固定一个变量,然后求解另外两个变量的方程。
例如,固定 x,然后我需要求解 y2+z2=2025−x2。
对于每个固定的 x,2025−x2 是一个固定的数,我需要计算这个数可以表示为两个平方数之和的非负整数解的个数。
所以,问题归结为:对于一个给定的正整数 n,计算 y2+z2=n 的非负整数解的个数。
这似乎是一个经典问题。
我记得,对于一个数 n,方程 y2+z2=n 的非负整数解的个数等于 n 的因子表示中与4同余于1的因子个数的两倍,或者类似的东西。我需要仔细回忆。
更精确地说,方程 y2+z2=n 的解的个数与 n 的质因数分解有关。
具体来说,如果 n=2a×∏pibi×∏qjcj,其中 pi≡1(mod4),qj≡3(mod4),那么解的个数是 4×∏(bi+1) 如果所有 cj 是偶数,否则为0。但这包括了正负整数解,而且包括零。
我需要非负整数解,包括零。
标准公式通常给出所有整数解,包括负数和零。
对于 y2+z2=n,解的个数通常包括正负值。
但在这里,我需要非负整数解,所以 y≥0, z≥0.
此外,解可以包括零。
一个常见的方法是使用公式,然后调整符号。
我可以考虑 y 和 z 的范围。
对于固定的 n,y 可以从0到 ⌊n⌋,对于每个 y,检查 n−y2 是否是完全平方数。
这相对容易计算,尤其是当 n 不是太大时。
在我们的问题中,n=2025−x2,并且 x 从0到45,所以 n 从2025到0,但 n 必须是非负的。
当 x=45,n=2025−2025=0,所以 y2+z2=0,只有解 (y,z)=(0,0)。
当 x=44,x2=1936,n=2025−1936=89.
89是一个质数,且 89≡1(mod4),所以它可以表示为两个平方数之和。
89=82+52=64+25,是的。所以解有 (y,z)=(8,5),(5,8),并且也包括零?不,89不是平方数,所以没有零解。所以两个解:(8,5) 和 (5,8)。
但 y 和 z 可以相同吗?不,因为89不是平方数。
此外,零:如果 y=0,z2=89,不是整数;同样 z=0 不可能。所以只有两个解。
但在非负整数中,是的。
现在,对于每个 x,我需要计算 r2(n),即 y2+z2=n 的表示数,但通常 r2(n) 包括所有整数解,正负都可以。
我需要定义清楚。
设 r2(n) 为 y2+z2=n 的整数解 (y,z) 的个数,包括负数和零。
那么,对于非负解,我需要考虑第一象限的解。
由于方程是对称的,我可以计算所有解,然后减去不必要的部分。
一个更好的方法是:对于给定的 n,y2+z2=n 的非负整数解的个数等于 ⌊n⌋ 向下取整,然后对于每个 y 从0到 ⌊n⌋,检查 n−y2 是否为完全平方数。
这是一个简单的方法,对于每个 n 可以在 O(n) 时间内完成。
在我们的问题中,n=2025−x2,并且 x 从0到45,所以我可以为每个 x 计算这个。
但 x 有46个值,对于每个 x,计算 n=2025−x2,然后计算 y2+z2=n 的非负解数。
由于 n 最大是2025,n≤45,所以对于每个 n,最多需要检查46个 y 值(从0到45),但实际更少,因为 y≤⌊n⌋。
但总计算量是 ∑x=045⌊2025−x2⌋+1,这大约是积分,但可以计算。
我可以写一个小程序,但既然我是手算,我需要一个更高效的方法。
或许我可以利用对称性或其他性质。
另一个想法:因为方程是对称的,我可以考虑有序三元组,但既然变量是相同的,我需要考虑是否变量可区分。
在这个问题中,x,y,z 都是变量,我认为它们是可区分的,因为它们是不同的变量。所以 (1,2,3) 和 (2,1,3) 是不同的解,除非指定顺序,但问题没有说有序或无序。
看问题:"非负整数解的个数",我认为是考虑有序三元组,因为通常在这种上下文中,除非指定组合,否则是有序的。
例如,对于 x2+y2+z2=k,解通常是考虑有序对。
所以,我需要计算有序三元组 (x,y,z) 的个数,其中 x,y,z≥0 是整数,且 x2+y2+z2=2025.
所以,是的,顺序重要。
现在,回到方法。
我可以计算对于每个可能的 n=2025−x2,但 n 依赖于 x,所以最好固定 x.
由于 x,y,z 是对称的,我可以假设 x≤y≤z 避免重复计数,但那样会错过一些解,因为可以有相等的情况,而且顺序重要,所以如果我很麻烦。
例如,如果我有 (a,b,c) 且 a,b,c 都不同,那么有 6 个排列,但如果两个相等,有 3 个,等等。这可能会很混乱。
所以,可能直接计算更好。
但让我试试看能否找到公式。
首先,注意到 2025 = 45^2,所以它是平方数。
我可以利用平方和的性质。
另一个想法:方程 x2+y2+z2=n 的解的个数可以通过公式给出,但我不确定。
我回忆一下,对于三个平方和,有一个公式,但它可能很复杂。
我可以计算累计值。
让我开始计算小的 n 或部分和。
设 S = 2025。
对于每个 x 从 0 到 45,令 n_x = S - x^2。
然后对于每个 n_x,计算满足 y^2 + z^2 = n_x 的非负整数对 (y,z) 的数量。
设 r2(n) 为 y^2 + z^2 = n 的非负整数解的个数。
那么对于每个 x,数量是 r2(n_x)。
那么总解数是 sum_{x=0}^{45} r2(S - x^2)。
现在,我需要 r2(m) 对于 m = S - x^2。
r2(m) 是满足 y^2 + z^2 = m 的非负整数解的数量。
y 和 z 是对称的,所以我可以写 r2(m) = sum_{k=0}^{\floor{\sqrt{m}}} [ 如果 m - k^2 是完全平方数,则为 1,否则为 0 ]
更精确地说,对于每个 k 从 0 到 floor(sqrt(m)),如果 m - k^2 是完全平方数,那么有两个解: (k, sqrt(m-k^2)) 和 (sqrt(m-k^2), k),除非 k = sqrt(m-k^2),即 m - k^2 = k^2,所以 m = 2k^2,那么 k 和 z 相等,所以只有一个解 (k,k)。
如果 m - k^2 = 0,那么 z=0,所以解是 (k,0),但只有当 k^2 = m 时成立。
让我定义得更好。
对于固定的 m,令 y 从 0 到 floor(sqrt(m))。
对于每个 y,令 t = m - y^2。
如果 t < 0,跳过,但既然 y <= floor(sqrt(m)),t >= 0。
如果 t 是一个完全平方数,令 z = sqrt(t),那么 (y,z) 是一个解。
现在,如果 y != z,那么 (z,y) 是另一个不同的解,但由于我们列出所有有序对,当 y != z 时,对于每个这样的 y,我们得到一个解 (y,z),而 (z,y) 将在我们取 y' = z 时被覆盖。
在遍历 y 时,对于每个 y,如果 t 是平方数,我们添加解 (y,z),其中 z=sqrt(t)。
当 y 增加时,我们覆盖所有解,但每个解 (a,b) 只被计算一次,其中 a 是 y 的值,b 是 z 的值。
例如,m=25,y 从 0 到 5。
y=0,t=25,z=5,解 (0,5)
y=1,t=24,不是平方数
y=2,t=21,不是
y=3,t=16,z=4,解 (3,4)
y=4,t=9,z=3,解 (4,3)
y=5,t=0,z=0,解 (5,0)
所以解为:(0,5)、(3,4)、(4,3)、(5,0)。总共4个解。
注意,当 y ≠ z 时,我们有两个不同的有序对,当 y=z 时,只有一个。
在代码中,当我们遍历 y 时,对于每个 y,如果 t 是平方数,我们就添加一个解 (y,z),所以当 y=z 时,只添加一次。
在 m=25 的情况下,我们有四个解。
另一个例子,m=0,y=0,t=0,z=0,解 (0,0),只有一个解。
m=1,y=0,t=1,z=1,解 (0,1);y=1,t=0,z=0,解 (1,0)。所以 (0,1)、(1,0),两个解。
m=2,y=0,t=2,不是平方数;y=1,t=1,z=1,解 (1,1)。所以只有一个解:(1,1)。
好的。
所以一般来说,对于每个 m,r2(m) 可以通过遍历 y 从 0 到 floor(sqrt(m)) 并检查 m - y^2 是否为完全平方数来计算。
现在,在我们的情形中,m = S - x^2,其中 S=2025,x 从 0 到 45。
由于 S 是平方数,也许我可以利用这个性质。
注意 S - x^2 = (45 - x)(45 + x),因为 45^2 - x^2 = (45-x)(45+x)。
是的,差平方公式。
所以 n_x = S - x^2 = (45 - x)(45 + x)。
现在,我需要的是 y^2 + z^2 = (45 - x)(45 + x)。
现在,45 - x 和 45 + x 都是整数,范围是从 x=0 时是 45 和 45,到 x=45 时是 0 和 90。
当 x=45 时,n_x=0,如上所述。
现在,为了计算 y^2 + z^2 = ab,其中 a = 45 - x,b = 45 + x。
但 a 和 b 是相关的,因为 b = 90 - a?设 a = 45 - x,则 b = 45 + x,并且由于 x >= 0,a 从 45 递减到 0,b 从 45 递增到 90。
并且 b = 90 - a?当 a=45,b=45;a=44,b=46;... a=0,b=90。所以 b = 90 - a?45 = 90 - 45,是的;44 = 90 - 46?90-46=44,是的;0=90-90,是的。所以 b = 90 - a。
所以 n_x = a * b = a * (90 - a)
其中 a = 45 - x,所以当 x 从 0 到 45 时,a 从 45 到 0。
所以 n_x = a * (90 - a)
我需要计算满足 y^2 + z^2 = a(90 - a) 的非负整数对 (y,z) 的数量。
但 a 是整数,从 0 到 45。
所以总解数为 sum_{a=0}^{45} r2( a * (90 - a) )
其中 r2(m) 是满足 y^2 + z^2 = m 的非负整数解的数量。
现在,r2(m) 可以通过我之前描述的方法计算。
由于 m = a(90 - a),而 a 的范围很小,只有 46 个值(a 从 0 到 45),我可以为每个 a 计算 r2(m)。
此外,m = a(90 - a),对于 a 从 0 到 45,m 从 0(当 a=0 或 a=45)到最大值在 a=45 时?a(90-a) 是二次函数,在 a=45 时,m=4545=2025;a=0 时,m=0;a=45 时,m=4545=2025?90-45=45,是的;但 a=45 时,n_x=45*45=2025,但 S - x^2,当 a=45,x=45-a=0?我之前定义了 a=45-x,所以当 x=0,a=45;x=45,a=0。
所以当 a=45,m= a*(90-a)=45*45=2025
当 a=0,m=0*90=0
当 a=30,m=30*60=1800,等等。
m 的范围是从 0 到 2025,但只有特定的值,因为 m 必须是 a(90-a) 的形式。
a 从 0 到 45,所以有 46 个可能的 m。
对于每个这样的 m,我需要计算 r2(m)。
r2(m) 可以通过检查每个 y 从 0 到 floor(sqrt(m)) 来计算,但 m 最大为 2025,sqrt(m)=45,所以对于每个 m,最多有 46 个 y 值需要检查(从 0 到 45),但实际更少。
由于 m 只有 46 个值,我可以计算每个 m 的 r2(m)。
但 r2(m) 依赖于 m,而 m 对于不同的 a 可能相同,但在这种情况下,m = a(90-a),并且由于 90-a 由 a 决定,每个 a 对应一个唯一的 m,因为 a(90-a) 在 a 从 0 到 45 时是单射的?我们来验证一下。
函数 f(a) = a(90-a) = 90a - a^2,这是一个开口向下的二次函数,在 a=45 时取得最大值,f(45)=4545=2025,f(0)=0,f(1)=189=89,f(2)=288=176,f(44)=4446=2024,f(45)=2025。由于它是二次函数,对于 a 从 0 到 44.5,它是递增的,但 a 是整数,所以从 a=0 到 a=45,f(a) 从 0 增加到 2025,但 f(44)=4446=2024,f(45)=4545=2025,f(43)=4347=2021,f(42)=4248=2016,等等,全部不同,因为它是严格递增的?f(a+1) - f(a) = [ (a+1)(89-a) ] - [a(90-a)] = [89a +89 -a^2 -a] - [90a -a^2] = 89a +89 -a^2 -a -90a +a^2 = -2a +89。
当 a < 44.5 时,-2a +89 >0,所以当 a <=44 时,f(a+1) > f(a),而当 a=44 时,f(45)-f(44)= -2*44 +89= -88+89=1>0,所以 f(45)>f(44),并且所有值都是不同的,因为导数在整数点上是非零的。
f(a) = -a^2 +90a,差 f(a+1)-f(a) = - (a+1)^2 +90(a+1) + a^2 -90a = - (a^2 +2a+1) +90a +90 + a^2 -90a = -2a -1 +90 = 89 -2a。
所以当 a < 44.5 时,即 a <=44 时,f(a+1) - f(a) =89-2a >0,所以 f(45)>f(44),且 f(45)-f(44)=89-88=1>0,所以是的,当 a 从 0 到 45 时,所有 f(a) 的值都是不同的。所以每个 a 对应一个唯一的 m。
因此,我需要为每个 a 从 0 到 45 计算 r2( a*(90-a) )。
然后求和。
现在,计算 r2(m) 对于每个 m。
r2(m) 是满足 y^2 + z^2 = m 的非负整数解的数量。
如前所述,我可以对每个 y 从 0 到 floor(sqrt(m)) 进行循环,并检查 m - y^2 是否为完全平方数。
由于 m 最大为 2025,y 最多到 45,并且有 46 个 m 值,总计算量是 46 * 46 = 2116,这是可以接受的。
但也许我可以列出所有可能的 m 并计算。
由于 m = a(90-a),且 a 从 0 到 45,我可以计算每个 a 的 m,然后计算 r2(m)。
但为了高效,我可以写一个表格或逐步计算。
注意,r2(m) 可以通过已知公式或技巧求出。
但也许直接计算更简单。
让我开始计算一些值。
首先,当 a=0 时,m=0*90=0。
r2(0):y^2 + z^2 = 0,所以 y=0, z=0。只有一个解:(0,0)。
所以 r2(0) = 1。
当 a=1 时,m=1*89=89。
89 是质数,且 89 ≡ 1 mod 4,所以可以表示为两个平方数之和:8^2 + 5^2 = 64 + 25 = 89。
解:y=0, t=89,不是平方数;y=1, t=88,不是;y=2, t=85,不是;y=3, t=80,不是;y=4, t=73,不是;y=5, t=64=8^2,所以 z=8;y=6, t=89-36=53,不是;y=7, t=89-49=40,不是;y=8, t=89-64=25=5^2,所以 z=5;y=9, t=89-81=8,不是平方数;更高不行。所以解为:(5,8)、(8,5)。所以有两个解。
如前所述。
当 a=2 时,m=2*88=176。
y 从 0 到 13,因为 sqrt(176)≈13.26。
y=0, t=176,不是平方数。
y=1, t=175,不是。
y=2, t=172,不是。
y=3, t=167,质数?不是平方数。
y=4, t=176-16=160,不是平方数。
y=5, t=176-25=151,不是。
y=6, t=176-36=140,不是。
y=7, t=176-49=127,不是。
y=8, t=176-64=112,不是。
y=9, t=176-81=95,不是。
y=10, t=176-100=76,不是。
y=11, t=176-121=55,不是。
y=12, t=176-144=32,不是平方数。
y=13, t=176-169=7,不是。
没有解?但 176 是偶数,且不是 4 的倍数?176 div 4=44,是 4 的倍数。
两个平方数之和:可能的组合?12^2=144,176-144=32,不是平方数。11^2=121,176-121=55,不是。10^2=100,76 不是。9^2=81,95 不是。8^2=64,112 不是。7^2=49,127 不是。6^2=36,140 不是。等等。那 4^2 + 12^2=16+144=160<176。0 和 sqrt(176) 不是整数。所以确实没有解?但 176 ≡ 0 mod 16?176 / 16 = 11,不是整数?16*11=176,是的。
一个数可以表示为两个平方数之和,当且仅当在它的质因数分解中,所有形如 4k+3 的质数的指数都是偶数。
176 = 16 * 11 = 2^4 * 11。
11 ≡ 3 mod 4,指数是 1,是奇数,所以确实不能被表示为两个平方数之和。
所以 r2(176) = 0。
好的,所以没有解。
现在,继续。
a=3,m=3*87=261。
261 除以 3=87,再除以 3=29。所以 3^2 * 29。
29 ≡ 1 mod 4,所以可以。
y 从 0 到 16(sqrt(261)≈16.15)
y=0,t=261,不是平方数。
y=1,t=260,不是。
y=2,t=257,是质数吗?257 是质数,257≡1 mod 4,但 257 不是平方数。
t=m-y^2,需要是平方数。
y=3,t=261-9=252,不是平方数。
y=4,t=261-16=245,245/49=5,所以 7^2 *5,不是平方数。
y=5,t=261-25=236,不是。
y=6,t=261-36=225=15^2,是!所以 z=15。
解 (6,15)
y=7,t=261-49=212,不是。
y=8,t=261-64=197,是质数吗?197≡1 mod 4,但也不是平方数。
y=9,t=261-81=180,不是。
y=10,t=261-100=161,不是。
y=11,t=261-121=140,不是。
y=12,t=261-144=117,不是。
y=13,t=261-169=92,不是。
y=14,t=261-196=65,不是。
y=15,t=261-225=36=6^2,所以 z=6。
解 (15,6)
y=16,t=261-256=5,不是平方数。
所以解为:(6,15)、(15,6)。所以有两个解。
现在,a=4,m=4*86=344。
344 除以 8=43,所以 8*43。
43≡3 mod 4,指数 1 是奇数,所以不能表示为两个平方数之和。检查:y=0 到18。
y=0,t=344,不是平方数。
y=1,t=343,7^3=343,是49的平方?7^3=343,但343是7^3,不是平方数。sqrt(343)≈18.52,18^2=324,19^2=361>343,324<343<361,343-324=19,不是零。所以不是平方数。
y=2,t=344-4=340,不是。
y=3,t=344-9=335,不是。
y=4,t=344-16=328,不是。
y=5,t=344-25=319,不是。
y=6,t=344-36=308,不是。
y=7,t=344-49=295,不是。
y=8,t=344-64=280,不是。
y=9,t=344-81=263,不是。
y=10,t=344-100=244,15.62^2,15^2=225,16^2=256>244,244-225=19,不是平方数。
y=11,t=344-121=223,不是。
y=12,t=344-144=200,不是平方数(14.14^2)。
y=13,t=344-169=175,不是。
y=14,t=344-196=148,不是。
y=15,t=344-225=119,不是。
y=16,t=344-256=88,不是。
y=17,t=344-289=55,不是。
y=18,t=344-324=20,不是。
没有解。正确,因为43≡3 mod 4 且指数为1。
a=5,m=5*85=425。
425=25*17=5^2 *17。
17≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到20(sqrt(425)≈20.615)
y=0,t=425,不是平方数。
y=1,t=424,不是。
y=2,t=421,不是。
y=3,t=416,不是。
y=4,t=400=20^2,是!所以 (4,20)
y=5,t=425-25=400=20^2,所以 (5,20)
y=6,t=425-36=389,不是。
y=7,t=425-49=376,不是。
y=8,t=425-64=361=19^2,所以 (8,19)
y=9,t=425-81=344,不是(之前)。
y=10,t=425-100=325,不是平方数(18^2=324,325-324=1,所以 18.02^2,不是整数)。
y=11,t=425-121=304,不是。
y=12,t=425-144=281,不是。
y=13,t=425-169=256=16^2,所以 (13,16)
y=14,t=425-196=229,不是。
y=15,t=425-225=200,不是。
y=16,t=425-256=169=13^2,所以 (16,13)
y=17,t=425-289=136,不是。
y=18,t=425-324=101,不是。
y=19,t=425-361=64=8^2,所以 (19,8)
y=20,t=425-400=25=5^2,所以 (20,5)
现在,列出解:(4,20)、(5,20)、(8,19)、(13,16)、(16,13)、(19,8)、(20,5),还有 (20,4) 吗?y=4 时我们有 (4,20),但 (20,4) 在 y=20 时:y=20,t=25,z=5,所以 (20,5),不是 (20,4)。
类似地,y=5 时,(5,20);y=20 时,(20,5)。
还有 (19,8) 和 (8,19),(16,13) 和 (13,16)。
那么 (4,20) 和 (20,4) 呢?(20,4) 在 y=20 时:t=425-400=25,z=5,不是 4。所以没有 (20,4)。
类似地,没有 (5,20) 的对称解,等等。
所以解为:(4,20)、(20,5)、(5,20)、(8,19)、(19,8)、(13,16)、(16,13)。
(20,5) 和 (5,20) 都包含了。
所以总共 8 个解?列表: (4,20), (5,20), (8,19), (13,16), (16,13), (19,8), (20,5),还有第七个?(20,4) 不存在,(4,20) 已经有了。
y=0 到 20,我得到了 7 个解?但 (4,20), (5,20), (8,19), (13,16), (16,13), (19,8), (20,5)。这是 7 个解。
但之前 y=13 时,(13,16);y=16 时,(16,13),等等。
有没有重复?没有。
但 425=5^2 * 17,两个平方和的表示:我知道公式是 4 * (e1+1) * ... 对于 p^k,但这里。
一般来说,对于 m,r2(m) 包含所有有序对。
在这个例子中,我们有 8 个解。
注意 425 = 5^2 * 17,而 17=1^2+4^2,所以可以组合。
但无论如何,我们有 8 个解。
现在,回到求和。
我需要为每个 a 从 0 到 45 计算这个。
这可能需要一些时间,但也许我可以写一个小程序,或者找到一种模式。
由于 m = a(90-a),而 90 是常数,也许我可以计算 r2(m) 并求和。
但也许我可以利用平方和的总数有一个公式这一事实。
另一个想法:总和 sum_{x=0}^{45} r2(2025 - x^2) 是三个平方和为 2025 的解的数量,这正是我们想要的,但 r2 是用于两个平方的,所以 sum_{x} r2(S - x^2) 正是 x 固定时 y,z 的数量,所以是的,总和就是总数。
但为了计算,我需要计算它。
也许我可以列出所有可能的 y,z,然后设定 x,但类似。
由于 2025 很小,我可以考虑所有可能的平方数。
列出所有小于等于 2025 的平方数:0^2=0, 1^2=1, 2^2=4, 3^2=9, 4^2=16, 5^2=25, 6^2=36, 7^2=49, 8^2=64, 9^2=81, 10^2=100, 11^2=121, 12^2=144, 13^2=169, 14^2=196, 15^2=225, 16^2=256, 17^2=289, 18^2=324, 19^2=361, 20^2=400, 21^2=441, 22^2=484, 23^2=529, 24^2=576, 25^2=625, 26^2=676, 27^2=729, 28^2=784, 29^2=841, 30^2=900, 31^2=961, 32^2=1024, 33^2=1089, 34^2=1156, 35^2=1225, 36^2=1296, 37^2=1369, 38^2=1444, 39^2=1521, 40^2=1600, 41^2=1681, 42^2=1764, 43^2=1849, 44^2=1936, 45^2=2025。
现在,我需要找出所有满足 a^2 + b^2 + c^2 = 2025 的三个平方数(允许重复,有序)。
所以,我可以固定 c,然后求解 a^2 + b^2 = 2025 - c^2。
c 从 0 到 45。
对于每个 c,计算 s_c = 2025 - c^2,然后找出满足 a^2 + b^2 = s_c 的非负整数对 (a,b)。
然后求和。
由于 c 有 46 个值,我可以计算每个 c 的 r2(s_c)。
s_c = 2025 - c^2,和之前一样。
为了节省时间,我可以计算 r2(m) 对于 m = s_c,但 m 依赖于 c。
因为我已经有了一些值,我可以继续。
让我制作一个表格。
让我从 c=0 开始:s=2025 - 0 = 2025。
r2(2025)。2025=45^2,所以 y^2 + z^2 = 2025。
y 从 0 到 45。
y=0,t=2025,z=45,解 (0,45)
y=1,t=2024,不是平方数。
y=2,t=2021,不是。
...
y=9,t=2025-81=1944,44.09^2?44^2=1936,45^2=2025,1944-1936=8,不是平方数。
y=15,t=2025-225=1800,不是平方数。
y=20,t=2025-400=1625,40.31^2?40^2=1600,41^2=1681>1625,1625-1600=25,所以 40^2 + 5^2=1600+25=1625,但 t=1625,z=sqrt(1625)=40.311,不是整数。40^2=1600,41^2=1681>1625,1681-1625=56,不是零。所以不是平方数。
y=25,t=2025-625=1400,不是。
y=30,t=2025-900=1125,不是。
y=35,t=2025-1225=800,不是。
y=40,t=2025-1600=425,之前我们有 r2(425)=8,但那是针对 (y,z),这里 y 是固定的。
对于 y=40,t=425,z 需要满足 z^2=425,但 425 不是平方数,所以没有解。
y=45,t=0,z=0,解 (45,0)
还有 (0,45),如上所述。
有没有其他解?例如,y=15,t=1800,不是平方数。
y=20,t=1625,不是。
y=24,t=2025-576=1449,38.09^2?38^2=1444,39^2=1521>1449,1449-1444=5,不是平方数。
y=27,t=2025-729=1296=36^2,成立!所以 (27,36)
类似地,y=36,t=2025-1296=729=27^2,所以 (36,27)
y=32,t=2025-1024=1001,不是。
y=33,t=2025-1089=936,不是。
y=34,t=2025-1156=869,不是。
y=35,t=800,不是。
y=39,t=2025-1521=504,不是。
y=41,t=2025-1681=344,不是。
y=42,t=2025-1764=261,不是平方数。
y=43,t=2025-1849=176,不是。
y=44,t=2025-1936=89,是质数,所以 (44,5) 和 (5,44),但 y=44,t=89,z=sqrt(89) 不是整数?89 不是平方数,所以没有解。
y=45,t=0,z=0,(45,0)
y=0,(0,45)
y=27,(27,36)
y=36,(36,27)
还有更多吗?y=15,没有。
y=45,已包含。
那 (45,0) 和 (0,45) 呢。
还有 (27,36) 和 (36,27)。
那么 (9,42) 呢?9^2=81,42^2=1764,81+1764=1845<2025。
2025-1845=180,不是平方数。
或者 30^2=900,2025-900=1125,33.54^2?33^2=1089,34^2=1156>1125,1125-1089=36,所以 33^2 + 6^2=1089+36=1125,但 900+1125=2025?a^2 + b^2 =1125,但 c=30,s_c=2025-900=1125,然后 a^2 + b^2=1125。
对于 c=30,s=1125。
r2(1125)。
1125=25*45=5^2 * 3^2 * 5= 5^3 * 3^2。
1125 ÷ 25=45,45÷9=5,所以 2595=5^2 * 3^2 * 5 = 5^3 * 3^2。
质因数:3^2 * 5^3。
3≡3 mod 4,指数2是偶数;5≡1 mod 4,指数3是奇数。
对于两个平方之和,需要所有 ≡3 mod 4 的质数的指数为偶数,这里 3 的指数是 2,是偶数,5≡1 mod 4,所以可以。
y 从 0 到 33(sqrt(1125)≈33.54)
y=0,t=1125,不是平方数。
y=1,t=1124,不是。
...
y=3,t=1125-9=1116,不是。
y=4,t=1125-16=1109,不是。
y=5,t=1125-25=1100,不是。
y=6,t=1125-36=1089=33^2,是!所以 (6,33)
y=7,t=1125-49=1076,不是。
y=8,t=1125-64=1061,不是。
y=9,t=1125-81=1044,不是。
y=10,t=1125-100=1025,不是平方数(32^2=1024,1025-1024=1,所以 32.0156^2,不是整数)。
y=11,t=1125-121=1004,不是。
y=12,t=1125-144=981,不是。
y=13,t=1125-169=956,不是。
y=14,t=1125-196=929,不是。
y=15,t=1125-225=900=30^2,所以 (15,30)
y=16,t=1125-256=869,不是。
y=17,t=1125-289=836,不是。
y=18,t=1125-324=801,不是。
y=19,t=1125-361=764,不是。
y=20,t=1125-400=725,不是平方数(26.92^2?26^2=676,27^2=729>725,725-676=49,所以 26^2 + 7^2=676+49=725,但 t=725,z=sqrt(725)≈26.92,不是整数)。
y=21,t=1125-441=684,不是。
y=22,t=1125-484=641,是质数?641≡1 mod 4,但不是平方数。
y=23,t=1125-529=596,不是。
y=24,t=1125-576=549,不是。
y=25,t=1125-625=500,不是平方数。
y=26,t=1125-676=449,不是。
y=27,t=1125-729=396,不是。
y=28,t=1125-784=341,不是。
y=29,t=1125-841=284,不是。
y=30,t=1125-900=225=15^2,所以 (30,15)
y=31,t=1125-961=164,不是。
y=32,t=1125-1024=101,不是。
y=33,t=1125-1089=36=6^2,所以 (33,6)
所以解为:(6,33), (15,30), (30,15), (33,6)
所以有四个解。
回到 c=0,s=2025。
我们有 (0,45), (45,0), (27,36), (36,27)
还有更多吗?y=45,(45,0) 已包含。
y=0,(0,45)
y=27,(27,36)
y=36,(36,27)
y=15,t=2025-225=1800,不是平方数。
y=20,t=1625,不是。
y=24,t=2025-576=1449,38.09^2,38^2=1444,1449-1444=5,不是。
y=33,t=2025-1089=936,30.59^2?30^2=900,31^2=961>936,936-900=36,所以 30^2 + 6^2=900+36=936,但 t=936,z=sqrt(936)≈30.59,不是整数。
y=39,t=2025-1521=504,22.45^2?22^2=484,23^2=529>504,504-484=20,不是平方数。
y=40,t=425,不是平方数。
y=44,t=89,不是平方数。
y=1 到 26,可能没有。
那 (18,39) 呢?18^2=324,39^2=1521,324+1521=1845<2025。
2025-1845=180,不是平方数。
或者 (10,40)?100+1600=1700,2025-1700=325,不是平方数。
或者 (5,40)?25+1600=1625,2025-1625=400=20^2,但这是针对三个平方数,对于 c=5,s=2025-25=2000,然后 a^2+b^2=2000,但这里对于 c=0,是固定的。
所以对于 c=0,有四个解:(0,45), (45,0), (27,36), (36,27)
所以 r2(2025) = 4 对于 c=0 的情况。
但在 r2 中,是 (y,z) 对,所以是的。
现在,c=1,s=2025-1=2024。
r2(2024)。
2024 除以 8=253,因为 2024/8=253。
253=11*23。
所以 2024=8253=811*23。
11≡3 mod 4,指数 1 是奇数;23≡3 mod 4,指数 1 是奇数。所以不能表示为两个平方数之和。所以 r2(2024)=0。
类似地,c=2,s=2025-4=2021。
2021 是质数?检查:2021 除以 3:2+0+2+1=5 不能被 3 整除,除以 7:7288=2016,2021-2016=5,不能整除,除以 11:11183=2013,2021-2013=8,不能整除,除以 13:13155=2015,2021-2015=6,不能整除,除以 17:17118=2006,2021-2006=15,不能整除,除以 19:19106=2014,2021-2014=7,不能整除,除以 23:2387=2001,2021-2001=20,不能整除,下一个 29>sqrt(2021)~44.9,2969=2001,同上,3165=2015,2021-2015=6,不能整除,3754=1998,2021-1998=23,不能整除,4149=2009,2021-2009=12,不能整除,4347=2021?4347=43*(50-3)=2150-129=2021,正确。43*47=2021。
43 和 47 都是质数,且 43≡3 mod 4,47≡3 mod 4,指数都是 1,奇数,所以不能表示为两个平方数之和。所以 r2(2021)=0。
c=3,s=2025-9=2016。
2016=5763.5?2016/16=126,126/2=63,63/9=7,所以 2016=16126,但 126=263=297=23^27,所以 2016=1623^27=2^5 * 3^2 * 7。
7≡3 mod 4,指数 1 是奇数,所以不能。r2(2016)=0。
c=4,s=2025-16=2009。
2009,检查可除性:2+0+0+9=11 不能被 3 整除,除以 7:7287=2009?7280=1960,77=49,总和 1960+49=2009,正确。所以 7287。
287 除以 7:7*41=287,正确,所以 7^2 * 41。
41≡1 mod 4,7≡3 mod 4,指数 2 是偶数,所以可以。
y 从 0 到 44(sqrt(2009)≈44.82)
y=0,t=2009,不是平方数。
y=1,t=2008,不是。
...
y=7,t=2009-49=1960,不是。
y=14,t=2009-196=1813,不是。
y=21,t=2009-441=1568,不是。
y=28,t=2009-784=1225=35^2,正确!所以 (28,35)
y=35,t=2009-1225=784=28^2,所以 (35,28)
y=42,t=2009-1764=245,不是平方数(15.65^2)
其他 y 可能没有。所以解为:(28,35)、(35,28)。所以有两个解。
继续这样下去很慢,但也许我可以写一个小的计算器或者寻找更快的方法。
既然这是一个编程问题,但我是手算,也许我可以估计或找到模式。
另一个想法:三个平方和为 n 的解的数量有一个公式,但涉及到虚数,很复杂。
我可以利用 2025 是平方数这一事实。
或者注意到 x^2 + y^2 + z^2 = 45^2,所以 (x,y,z) 是球面上的点,但一样。
也许我可以考虑可能的组合。
让我尝试分组或对称值。
例如,当 x=y=z 时,45^2 /3 =2025/3=675,sqrt(675)≈25.98,25^2=625,26^2=676>675,所以不是整数。
或者当两个相等时。
但也许直接计算更简单。
让我计算累计值。
我从 c=0 开始:s=2025,r2=4(如前所述)
c=1:s=2024,r2=0
c=2:s=2021,r2=0
c=3:s=2016,r2=0
c=4:s=2009,r2=2(28,35 和 35,28)
c=5:s=2025-25=2000
2000=16*125=2^4 * 5^3
5≡1 mod 4,但指数 3 是奇数,2^4 可以。
对于两个平方和,当 4k+3 的质因子的指数为偶数时,这里没有 4k+3 的质数,所以可以。
y 从 0 到 44(sqrt(2000)≈44.72)
y=0,t=2000,不是平方数。
y=2,t=2000-4=1996,不是。
y=4,t=2000-16=1984,不是。
y=10,t=2000-100=1900,不是。
y=20,t=2000-400=1600=40^2,所以 (20,40)
y=28,t=2000-784=1216,不是。
y=32,t=2000-1024=976,不是。
y=34,t=2000-1156=844,不是。
y=40,t=2000-1600=400=20^2,所以 (40,20)
y=1,t=1999,不是。
等等。还有更多吗?
y=0 到 44。
y=5,t=2000-25=1975,不是。
y=15,t=2000-225=1775,不是。
y=25,t=2000-625=1375,不是。
y=30,t=2000-900=1100,不是。
y=35,t=2000-1225=775,不是。
y=44,t=2000-1936=64=8^2,所以 (44,8)
y=8,t=2000-64=1936=44^2,所以 (8,44)
所以解有:(20,40)、(40,20)、(8,44)、(44,8)
所以有四个解。
(20,40) 和 (40,20),(8,44) 和 (44,8)。
是的。
所以 r2(2000)=4。
c=6,s=2025-36=1989。
1989,可被3整除:1+9+8+9=27,是,1989/3=663,663/3=221,221/13=17,所以 3^2 * 13 * 17。
13≡1 mod 4,17≡1 mod 4,3≡3 mod 4 指数2是偶数,所以可以。
y 从 0 到 44(sqrt(1989)≈44.6)
y=0,t=1989,不是平方数。
y=3,t=1989-9=1980,不是。
y=6,t=1989-36=1953,不是。
y=9,t=1989-81=1908,不是。
y=12,t=1989-144=1845,不是。
y=15,t=1989-225=1764=42^2,是!所以 (15,42)
y=18,t=1989-324=1665,不是。
y=21,t=1989-441=1548,不是。
y=24,t=1989-576=1413,不是。
y=27,t=1989-729=1260,不是。
y=30,t=1989-900=1089=33^2,所以 (30,33)
y=33,t=1989-1089=900=30^2,所以 (33,30)
y=42,t=1989-1764=225=15^2,所以 (42,15)
y=1,2,等等,可能没有。
所以解为:(15,42)、(42,15)、(30,33)、(33,30)
所以有四个解。
c=7,s=2025-49=1976。
1976=16123.5?1976/16=123.5?16123=1968,1976-1968=8,所以 16123 +8,不是整数倍。1976/8=247,247/13=19,所以 813*19=2^3 * 13 * 19。
13≡1 mod 4,19≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=8,s=2025-64=1961。
1961,检查:除以 37?3753=1961?3750=1850,37*3=111,总和 1961,正确。37 和 53 都是质数,37≡1 mod 4,53≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 44(sqrt(1961)≈44.28)
y=0,t=1961,不是。
y=5,t=1961-25=1936=44^2,所以 (5,44)
y=44,t=1961-1936=25=5^2,所以 (44,5)
y=1,t=1960,不是。
y=2,t=1957,不是。
等等。所以解为:(5,44)、(44,5)
所以有两个解。
c=9,s=2025-81=1944。
1944=16121.5?1944/16=121.5?16121=1936,1944-1936=8,所以 1944=16121 +8,不是。1944/8=243,243=813=3^5,所以 8*3^5=2^3 * 3^5。
3≡3 mod 4,指数5是奇数,所以不能。r2=0。
c=10,s=2025-100=1925。
1925=25*77=5^2 * 7 * 11。
7≡3 mod 4,指数1是奇数;11≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=11,s=2025-121=1904。
1904=16119,119=717,所以 16717=2^4 * 7 * 17。
7≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=12,s=2025-144=1881。
1881,可被3整除:1+8+8+1=18,是,1881/3=627,627/3=209,209/11=19,所以 3^2 * 11 * 19。
11≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=13,s=2025-169=1856。
1856=16116,116=429,所以 64*29=2^6 * 29。
29≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 43(sqrt(1856)≈43.08)
y=0,t=1856,不是平方数。
y=8,t=1856-64=1792,不是。
y=16,t=1856-256=1600=40^2,所以 (16,40)
y=20,t=1856-400=1456,不是。
y=24,t=1856-576=1280,不是。
y=28,t=1856-784=1072,不是。
y=32,t=1856-1024=832,不是。
y=40,t=1856-1600=256=16^2,所以 (40,16)
y=1 到 42,可能没有其他。
y=4,t=1856-16=1840,不是。
y=12,t=1856-144=1712,不是。
y=36,t=1856-1296=560,不是。
所以解为:(16,40)、(40,16)
有两个解。
c=14,s=2025-196=1829。
1829,检查:除以 31?3159=1829?3150=1550,31*9=279,总和 1829,正确。31 和 59 都是质数,31≡3 mod 4,59≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=15,s=2025-225=1800。
1800=100*18=2^3 * 3^2 * 5^2。
3≡3 mod 4,指数2是偶数,所以可以。
y=0 到 42(sqrt(1800)≈42.43)
y=0,t=1800,不是平方数。
y=6,t=1800-36=1764=42^2,所以 (6,42)
y=10,t=1800-100=1700,不是。
y=12,t=1800-144=1656,不是。
y=18,t=1800-324=1476,不是。
y=20,t=1800-400=1400,不是。
y=24,t=1800-576=1224,不是。
y=30,t=1800-900=900=30^2,所以 (30,30)
y=36,t=1800-1296=504,不是。
y=42,t=1800-1764=36=6^2,所以 (42,6)
y=1,2,等等,可能没有。
所以解为:(6,42)、(30,30)、(42,6)
三个解。
(6,42)、(42,6)、(30,30)。
是的。
所以 r2(1800)=3。
c=16,s=2025-256=1769。
1769,检查:除以 29?2961=1769?2960=1740,29*1=29,总和 1769,正确。29≡1 mod 4,61≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 42(sqrt(1769)≈42.06)
y=0,t=1769,不是。
y=7,t=1769-49=1720,不是。
y=14,t=1769-196=1573,不是。
y=21,t=1769-441=1328,不是。
y=28,t=1769-784=985,不是。
y=35,t=1769-1225=544,不是。
y=42,t=1769-1764=5,不是平方数。
y=1,2,3,4,5,6,8,9,10,11,12,13,15,16,17,18,19,20,22,23,24,25,26,27,29,30,31,32,33,34,36,37,38,39,40,41, 可能没有。
y=17, t=1769-289=1480,不是。
y=23, t=1769-529=1240,不是。
y=31, t=1769-961=808,不是。
y=38, t=1769-1444=325,不是。
所以没有解?但 29 和 61 都是 1 mod 4,应该可以。
例如,29=5^2+2^2,61=5^2+6^2,所以组合。
y^2 + z^2 = 29*61。
29*61=1769。
可能的组合: (5,42) 5^2+42^2=25+1764=1789>1769。
(2,42) 4+1764=1768,1769-1768=1,所以 2^2 + 42^2 =4+1764=1768<1769。
1769-1768=1,所以 (42,1) 但 42^2 +1^2=1764+1=1765<1769。
(5,41) 25+1681=1706,1769-1706=63,不是平方数。
(6,41) 36+1681=1717,1769-1717=52,不是。
(10,41) 100+1681=1781>1769。
(15,38) 225+1444=1669,1769-1669=100=10^2,但那是三个平方数。
对于两个平方数:解应该是 (a,b) 满足 a^2 + b^2 =1769。
尝试 y=1, t=1768,不是平方数。
y=2, t=1765,1765/5=353,353 是质数?353≡1 mod 4,但 1765 不是平方数。
y=3, t=1769-9=1760,不是。
y=4, t=1769-16=1753,不是。
y=5, t=1769-25=1744=41.76^2?41^2=1681,42^2=1764,1764-1744=20,不是。
1744 - 1681=63,不是平方数。
y=6, t=1769-36=1733,不是。
y=7, t=1720,不是。
y=8, t=1769-64=1705,1705/5=341, 341/11=31,所以 51131,都是 1 或 3 mod 4,但 11 和 31 是 3 mod 4,指数为 1,所以不能是平方数,但 t 需要是平方数,1705 不是平方数。
y=9, t=1769-81=1688,不是。
y=10, t=1769-100=1669,1669-1681=-12,不是。
y=11, t=1769-121=1648,不是。
y=12, t=1769-144=1625,1625/25=65,所以 25*65,sqrt(1625)≈40.31,40^2=1600,41^2=1681>1625,1625-1600=25,所以 40^2 + 5^2=1600+25=1625,但 t=1625,z=40.312,不是整数。
y=13, t=1769-169=1600=40^2,是!所以 (13,40)
类似地 y=40, t=1769-1600=169=13^2,所以 (40,13)
y=14, t=1769-196=1573,不是。
等等。所以解为:(13,40)、(40,13)
所以有两个解。
我错过了 y=13。
所以 r2(1769)=2。
c=17, s=2025-289=1736。
1736=16108.5?1736/16=108.5?16108=1728,1736-1728=8,所以 1728+8,不是整数倍。1736/8=217,217/7=31,所以 8731=2^3 * 7 * 31。
7≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=18, s=2025-324=1701。
1701,可被3整除:1+7+0+1=9,是,1701/3=567,567/3=189,189/3=63,63/3=21,21/3=7,所以 3^5 * 7。
3≡3 mod 4,指数5是奇数,所以不能。r2=0。
c=19, s=2025-361=1664。
1664=16104,104=813,所以 128*13=2^7 * 13。
13≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 40(sqrt(1664)≈40.79)
y=0, t=1664,不是。
y=8, t=1664-64=1600=40^2,所以 (8,40)
y=40, t=1664-1600=64=8^2,所以 (40,8)
其他可能没有。所以 r2=2。
c=20, s=2025-400=1625。
1625=25*65=5^2 * 5 * 13 = 5^3 * 13。
13≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 40(sqrt(1625)≈40.31)
y=0, t=1625,不是。
y=5, t=1625-25=1600=40^2,所以 (5,40)
y=15, t=1625-225=1400,不是。
y=20, t=1625-400=1225=35^2,所以 (20,35)
y=25, t=1625-625=1000,不是。
y=35, t=1625-1225=400=20^2,所以 (35,20)
y=40, t=1625-1600=25=5^2,所以 (40,5)
所以解为:(5,40)、(40,5)、(20,35)、(35,20)
四个解。
c=21, s=2025-441=1584。
1584=1699,99=911,所以 16911=2^4 * 3^2 * 11。
11≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=22, s=2025-484=1541。
1541,检查:除以 23?2367=1541?2360=1380,23*7=161,总和 1541,正确。23≡3 mod 4,67≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=23, s=2025-529=1496。
1496=1693.5?1496/16=93.5?1693=1488,1496-1488=8,所以 1488+8,不是。1496/8=187,187/11=17,所以 81117=2^3 * 11 * 17。
11≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=24, s=2025-576=1449。
1449,可被3整除:1+4+4+9=18,是,1449/3=483,483/3=161,161/7=23,所以 3^2 * 7 * 23。
7≡3 mod 4,23≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=25, s=2025-625=1400。
1400=100*14=2^3 * 5^2 * 7。
7≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=26, s=2025-676=1349。
1349,检查:除以 19?1971=1349?1970=1330,19*1=19,总和 1349,正确。19≡3 mod 4,71≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=27, s=2025-729=1296=36^2,所以 y^2 + z^2 =1296。
y 从 0 到 36。
y=0, t=1296, z=36, (0,36)
y=6, t=1296-36=1260,不是。
y=12, t=1296-144=1152,不是。
y=18, t=1296-324=972,不是。
y=24, t=1296-576=720,不是。
y=30, t=1296-900=396,不是。
y=36, t=0, z=0, (36,0)
y=3, t=1296-9=1287,不是。
等等。还有更多吗?y=36, (36,0)
y=0, (0,36)
那 (18,30) 呢?18^2=324,30^2=900,324+900=1224<1296。
1296-1224=72,不是平方数。
或者 (6,36) 6^2+36^2=36+1296=1332>1296。
y=1, t=1295,不是。
y=2, t=1292,不是。
y=4, t=1296-16=1280,不是。
y=8, t=1296-64=1232,不是。
y=10, t=1296-100=1196,不是。
y=14, t=1296-196=1100,不是。
y=16, t=1296-256=1040,不是。
y=20, t=1296-400=896,不是。
y=22, t=1296-484=812,不是。
y=26, t=1296-676=620,不是。
y=28, t=1296-784=512,不是平方数(22.627^2)
y=32, t=1296-1024=272,不是。
y=34, t=1296-1156=140,不是。
所以只有 (0,36) 和 (36,0)。所以 r2=2。
但 1296=36^2,所以应该还有更多。
例如,12^2 + 36^2=144+1296=1440<1296?1440>1296?144+1296=1440,但 1296 是 s,y^2 + z^2=1296。
12^2=144,z^2=1296-144=1152,1152/64=18,所以 64*18,sqrt(1152)≈33.94,33^2=1089,34^2=1156>1152,1152-1089=63,不是平方数。
8^2 + 36^2=64+1296=1360>1296。
0 和 36 是有的,但 36 和 0 也有。
那 (18,30) 呢?18^2=324,30^2=900,324+900=1224<1296。
1296-1224=72,不是平方数。
或者 (24,24) 24^2+24^2=576+576=1152<1296。
1296-1152=144=12^2,但那是另一个平方数。
对于三个平方数,但这里对于两个平方数。
y=15, t=1296-225=1071,不是。
y=21, t=1296-441=855,不是。
y=27, t=1296-729=567,不是。
y=33, t=1296-1089=207,不是。
所以确实只有两个解:(0,36) 和 (36,0)。
但 1296 = 36^2,也可以写成其他平方数之和,例如 1296 = 0^2 + 36^2,或 36^2 + 0^2,但有没有像 12^2 + 36^2 这样的组合?12^2=144,36^2=1296,总和 1440>1296。
或者 6^2 + 36^2=36+1296=1332>1296。
或者 18^2 + 30^2=324+900=1224<1296。
或者 20^2 + 34^2=400+1156=1556>1296。
或者 14^2 + 34^2=196+1156=1352>1296。
10^2 + 34^2=100+1156=1256<1296,1296-1256=40,不是平方数。
8^2 + 34^2=64+1156=1220,1296-1220=76,不是。
4^2 + 36^2=16+1296=1312>1296。
2^2 + 36^2=4+1296=1300>1296。
1^2 + 36^2=1+1296=1297>1296。
0+36^2=1296。
所以只有 (0,36) 和 (36,0)。所以 r2=2。
c=28, s=2025-784=1241。
1241,检查:除以 17?1773=1241?1770=1190,17*3=51,总和 1241,正确。17≡1 mod 4,73≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 35(sqrt(1241)≈35.23)
y=5, t=1241-25=1216,不是。
y=7, t=1241-49=1192,不是。
y=11, t=1241-121=1120,不是。
y=13, t=1241-169=1072,不是。
y=17, t=1241-289=952,不是。
y=19, t=1241-361=880,不是。
y=23, t=1241-529=712,不是。
y=25, t=1241-625=616,不是。
y=29, t=1241-841=400=20^2,所以 (29,20)
y=31, t=1241-961=280,不是。
y=35, t=1241-1225=16=4^2,所以 (35,4)
y=20, t=1241-400=841=29^2,所以 (20,29)
y=4, t=1241-16=1225=35^2,所以 (4,35)
所以解为:(4,35), (35,4), (20,29), (29,20)
四个解。
c=29, s=2025-841=1184。
1184=1674,74=237,所以 32*37=2^5 * 37。
37≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 34(sqrt(1184)≈34.41)
y=0, t=1184,不是。
y=8, t=1184-64=1120,不是。
y=16, t=1184-256=928,不是。
y=24, t=1184-576=608,不是。
y=32, t=1184-1024=160,不是。
y=4, t=1184-16=1168,不是。
y=12, t=1184-144=1040,不是。
y=20, t=1184-400=784=28^2,所以 (20,28)
y=28, t=1184-784=400=20^2,所以 (28,20)
y=2, t=1184-4=1180,不是。
等等。所以解为:(20,28), (28,20)
两个解。
c=30, s=2025-900=1125。
之前对于 c=15,s=1125,我们有 r2=4:(6,33), (15,30), (30,15), (33,6)
是的。
所以 r2(1125)=4。
c=31, s=2025-961=1064。
1064=8133,133=719,所以 8719=2^3 * 7 * 19。
7≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=32, s=2025-1024=1001。
1001=71113,都是 3 mod 4 或 1,但 7 和 11 是 3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=33, s=2025-1089=936。
936=1658.5?936/16=58.5?1658=928,936-928=8,所以 928+8。936/8=117,117/9=13,所以 8913=2^3 * 3^2 * 13。
13≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 30(sqrt(936)≈30.59)
y=6, t=936-36=900=30^2,所以 (6,30)
y=30, t=936-900=36=6^2,所以 (30,6)
y=0, t=936,不是。
y=2, t=932,不是。
y=4, t=920,不是。
y=8, t=936-64=872,不是。
y=10, t=936-100=836,不是。
y=12, t=936-144=792,不是。
y=14, t=936-196=740,不是。
y=16, t=936-256=680,不是。
y=18, t=936-324=612,不是。
y=20, t=936-400=536,不是。
y=22, t=936-484=452,不是。
y=24, t=936-576=360,不是。
y=26, t=936-676=260,不是。
y=28, t=936-784=152,不是。
所以只有 (6,30), (30,6)
所以 r2=2。
c=34, s=2025-1156=869。
869=11*79,11≡3 mod 4,79≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=35, s=2025-1225=800。
800=8*100=2^5 * 5^2。
5≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 28(sqrt(800)≈28.28)
y=0, t=800,不是。
y=4, t=800-16=784=28^2,所以 (4,28)
y=8, t=800-64=736,不是。
y=12, t=800-144=656,不是。
y=16, t=800-256=544,不是。
y=20, t=800-400=400=20^2,所以 (20,20)
y=24, t=800-576=224,不是。
y=28, t=800-784=16=4^2,所以 (28,4)
y=1,2,3,5,6,7,9,10,11,13,14,15,17,18,19,21,22,23,25,26,27, 可能没有。
所以解为:(4,28), (20,20), (28,4)
三个解。
c=36, s=2025-1296=729=27^2。
所以 y^2 + z^2 =729。
y 从 0 到 27。
y=0, t=729, z=27, (0,27)
y=3, t=729-9=720,不是。
y=9, t=729-81=648,不是。
y=15, t=729-225=504,不是。
y=18, t=729-324=405,不是。
y=21, t=729-441=288,不是。
y=24, t=729-576=153,不是。
y=27, t=0, z=0, (27,0)
y=1, t=728,不是。
y=2, t=725,不是。
y=5, t=729-25=704,不是。
y=6, t=729-36=693,不是。
y=7, t=729-49=680,不是。
y=8, t=729-64=665,不是。
y=10, t=729-100=629,不是。
y=11, t=729-121=608,不是。
y=12, t=729-144=585,不是。
y=13, t=729-169=560,不是。
y=14, t=729-196=533,不是。
y=16, t=729-256=473,不是。
y=17, t=729-289=440,不是。
y=19, t=729-361=368,不是。
y=20, t=729-400=329,不是。
y=22, t=729-484=245,不是。
y=23, t=729-529=200,不是。
y=25, t=729-625=104,不是。
y=26, t=729-676=53,不是。
所以只有 (0,27) 和 (27,0)。r2=2。
c=37, s=2025-1369=656。
656=16*41,41≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 25(sqrt(656)≈25.61)
y=4, t=656-16=640,不是。
y=8, t=656-64=592,不是。
y=12, t=656-144=512,不是平方数。
y=16, t=656-256=400=20^2,所以 (16,20)
y=20, t=656-400=256=16^2,所以 (20,16)
其他可能没有。所以 r2=2。
c=38, s=2025-1444=581。
581=7*83,7≡3 mod 4,83≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=39, s=2025-1521=504。
504=8*63=2^3 * 3^2 * 7。
7≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=40, s=2025-1600=425。
之前对于 c=5,s=2000,但这里是 425。
425=25*17=5^2 * 17。
17≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 20(sqrt(425)≈20.615)
y=5, t=425-25=400=20^2,所以 (5,20)
y=10, t=425-100=325,不是。
y=15, t=425-225=200,不是。
y=20, t=425-400=25=5^2,所以 (20,5)
y=1,2,3,4,6,7,8,9,11,12,13,14,16,17,18,19, 可能没有。
y=7, t=425-49=376,不是。
y=13, t=425-169=256=16^2,所以 (13,16)
y=16, t=425-256=169=13^2,所以 (16,13)
y=0, t=425,不是。
y=3, t=425-9=416,不是。
y=9, t=425-81=344,不是。
所以解为:(5,20), (20,5), (13,16), (16,13)
四个解。
c=41, s=2025-1681=344。
344=8*43,43≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=42, s=2025-1764=261。
261=9*29,29≡1 mod 4,所以可以。
y=0 到 16(sqrt(261)≈16.15)
y=3, t=261-9=252,不是。
y=6, t=261-36=225=15^2,所以 (6,15)
y=9, t=261-81=180,不是。
y=12, t=261-144=117,不是。
y=15, t=261-225=36=6^2,所以 (15,6)
y=1,2,4,5,7,8,10,11,13,14,16, 可能没有。
所以 (6,15), (15,6)
两个解。
c=43, s=2025-1849=176。
176=16*11,11≡3 mod 4,指数1是奇数,所以不能。r2=0。
c=44, s=2025-1936=89。
89 是质数,≡1 mod 4,所以有两个解:(5,8), (8,5)
所以 r2=2。
c=45, s=2025-2025=0。
r2(0)=1,解为 (0,0)
现在,总结每个 c 的 r2(s_c)。
c=0: 4
c=1: 0
c=2: 0
c=3: 0
c=4: 2
c=5: 4
c=6: 4
c=7: 0
c=8: 2
c=9: 0
c=10: 0
c=11: 0
c=12: 0
c=13: 2
c=14: 0
c=15: 3
c=16: 2
c=17: 0
c=18: 0
c=19: 2
c=20: 4
c=21: 0
c=22: 0
c=23: 0
c=24: 0
c=25: 0
c=26: 0
c=27: 2
c=28: 4
c=29: 2
c=30: 4
c=31: 0
c=32: 0
c=33: 2
c=34: 0
c=35: 3
c=36: 2
c=37: 2
c=38: 0
c=39: 0
c=40: 4
c=41: 0
c=42: 2
c=43: 0
c=44: 2
c=45: 1
现在,求和。
列出 r2 值:
0:4
1:0
2:0
3:0
4:2
5:4
6:4
7:0
8:2
9:0
10:0
11:0
12:0
13:2
14:0
15:3
16:2
17:0
18:0
19:2
20:4
21:0
22:0
23:0
24:0
25:0
26:0
27:2
28:4
29:2
30:4
31:0
32:0
33:2
34:0
35:3
36:2
37:2
38:0
39:0
40:4
41:0
42:2
43:0
44:2
45:1
现在,求和。
首先,c=0:4
c=1-3:0
c=4:2
c=5:4
c=6:4
c=7:0
c=8:2
c=9-15: 除了 c=13:2, c=15:3,其余为0,所以 c=9-12:0, c=13:2, c=14:0, c=15:3
c=16:2
c=17-18:0
c=19:2
c=20:4
c=21-26: 除了 c=24-26 为0,c=21-23 为0,所以全部为0
c=27:2
c=28:4
c=29:2
c=30:4
c=31-32:0
c=33:2
c=34:0
c=35:3
c=36:2
c=37:2
c=38-39:0
c=40:4
c=41:0
c=42:2
c=43:0
c=44:2
c=45:1
现在,逐步相加。
从 c=0 开始:4
c=4:2,累计 4+2=6
c=5:4,累计 6+4=10
c=6:4,累计 10+4=14
c=8:2,累计 14+2=16
c=13:2,累计 16+2=18
c=15:3,累计 18+3=21
c=16:2,累计 21+2=23
c=19:2,累计 23+2=25
c=20:4,累计 25+4=29
c=27:2,累计 29+2=31
c=28:4,累计 31+4=35
c=29:2,累计 35+2=37
c=30:4,累计 37+4=41
c=33:2,累计 41+2=43
c=35:3,累计 43+3=46
c=36:2,累计 46+2=48
c=37:2,累计 48+2=50
c=40:4,累计 50+4=54
c=42:2,累计 54+2=56
c=44:2,累计 56+2=58
c=45:1,累计 58+1=59
现在,c=1,2,3,7,9,10,11,12,14,17,18,21,22,23,24,25,26,31,32,34,38,39,41,43 都是 0,所以不加。
所以总和是 59。
但这是 sum_{x} r2(s_x),其中 x 是 c,即固定 z,然后对 (x,y) 求和。
在总和中,对于每个固定的 z,我们有满足 x^2 + y^2 + z^2 = 2025 的 (x,y) 对数。
由于 x,y,z 是对称的,总解数应该是这个总和。
但在这个总和中,对于每个 z,我们计算了 (x,y) 对,所以总的三元组数应该是 sum_{z} r2(2025 - z^2),这正是我们计算的。
我们得到了 59。
但让我验证一下是否漏掉了什么。
例如,当 z=0 时,s=2025,我们有 (x,y)=(0,45),(45,0),(27,36),(36,27),所以四个三元组:(0,0,45)? 不,z 是固定的,所以对于 z=0,我们有 (x,y,0),其中 x^2 + y^2=2025,所以 (0,45,0),(45,0,0),(27,36,0),(36,27,0)。但在整个总和中,当 z=0,我们有四个三元组。
类似地,当 z=45 时,s=0,所以 (x,y)=(0,0),三元组 (0,0,45)。
在总和中,c=45 时,r2=1,所以 (x,y)=(0,0),三元组 (0,0,45)。
现在,有没有 (0,0,45) 这样的三元组?有。
但 (0,45,0) 和 (45,0,0) 也包含在内。
现在,总三元组数是 59。
但让我检查一个小的值。
例如,当 z=15 时,s=1800,r2=3:(6,42),(42,6),(30,30),所以三元组 (6,42,15),(42,6,15),(30,30,15)。
类似地。
现在,另一个:当 z=20,s=1625,r2=4:(5,40),(40,5),(20,35),(35,20),所以 (5,40,20),(40,5,20),(20,35,20),(35,20,20)。
所有都包含在内。
现在,总数是 59。
但这是最终答案吗?
在总和 sum_{z} r2(s_z) 中,它计算了所有满足 x^2 + y^2 + z^2 = 2025 的有序三元组 (x,y,z)。
是的。
为了确认,我可以计算当 x=y=z 时,但 2025/3=675,不是平方数,所以没有等值解。
或者当两个为零时,但 (45,0,0) 包含在 z=0 中:当 z=0,x=45,y=0 或 x=0,y=45,所以 (45,0,0) 和 (0,45,0),而当 x=0,z=0,y=45,但 x 是固定的。
在总和中,当 z=0,我们有 (45,0,0),(0,45,0),(27,36,0),(36,27,0)
当 y=0 固定时,但在这个总和中,我们固定 z,所以当 z=0,我们只考虑 z=0 的情况。
类似地,当 x=0 固定时,但在总和中,当 z 变化时,x 和 y 变化。
例如,三元组 (45,0,0) 是当 z=0, x=45,y=0 时包含的。
类似地,(0,45,0) 是当 z=0, x=0,y=45。
而 (0,0,45) 是当 z=45, x=0,y=0。
所以都包含在内。
现在,总共有 59 个三元组。
但让我再检查一下总和。
列出所有非零的 r2:
c=0:4
c=4:2
c=5:4
c=6:4
c=8:2
c=13:2
c=15:3
c=16:2
c=19:2
c=20:4
c=27:2
c=28:4
c=29:2
c=30:4
c=33:2
c=35:3
c=36:2
c=37:2
c=40:4
c=42:2
c=44:2
c=45:1
现在,分组求和。
首先,c=0,5,6,20,28,30,40:4,4,4,4,4,4,4?c=0:4, c=5:4, c=6:4, c=20:4, c=28:4, c=30:4, c=40:4。那是七个4:7*4=28
c=4,8,13,16,19,27,29,33,36,37,42,44:2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2?列表:c=4,8,13,16,19,27,29,33,36,37,42,44。那是12个2:12*2=24
c=15:3, c=35:3,所以两个3:6
c=45:1
现在,总和:28(来自4)+24(来自2)+6(来自3)+1=28+24=52,+6=58,+1=59。
是的。
所以总解数是59。
但这是对的吗?让我看看是否漏掉了明显的解。
例如,解 (0,0,45), (0,45,0), (45,0,0) 都包含了吗?是的,在总和中。
(15,30,30):当 z=30,s=2025-900=1125,r2(1125)=4,包括 (15,30), (30,15),所以三元组 (15,30,30), (30,15,30),但 (30,30,15) 呢?当 z=15,s=1800,r2=3:(6,42),(42,6),(30,30),所以 (30,30,15) 包含在 z=15 中。
类似地,(15,30,30) 在 z=30 中。
现在,另一个解:比如 (9,12,42),9^2=81,12^2=144,42^2=1764,81+144=225,225+1764=1989,2025-1989=36,所以 9^2+12^2+42^2=81+144+1764=1989<2025,不是。
或者 (5,10,40):25+100+1600=1725<2025。
或者 (20,20,35):400+400+1225=2025?400+400=800,800+1225=2025,正确!所以 (20,20,35)
在总和中,当 z=35,s=2025-1225=800,r2(800)=3:(4,28),(20,20),(28,4),所以三元组 (4,28,35), (20,20,35), (28,4,35)。所以 (20,20,35) 包含在内。
类似地,(20,35,20) 在 z=20 时:s=1625,r2=4 包括 (20,35),所以 (20,35,20)
(35,20,20) 在 z=20 时:同上,或当 z=20,x=35,y=20。
所以都包含在内。
另一个解:(9,30,36) 9^2=81,30^2=900,36^2=1296,81+900=981,981+1296=2277>2025,太大了。
或者 (3,6,44) 9+36+1936=1981<2025。
2025-1981=44,不是平方数。
或者 (1,2,44) 1+4+1936=1941,2025-1941=84,不是平方数。
所以可能没有漏掉。
总三元组数:59。
但问题要求非负整数解,我认为包括零,是的。
所以答案应该是59。
但让我确认一下总和。
列出所有贡献:
c=0:4
c=4:2
c=5:4
c=6:4
c=8:2
c=13:2
c=15:3
c=16:2
c=19:2
c=20:4
c=27:2
c=28:4
c=29:2
c=30:4
c=33:2
c=35:3
c=36:2
c=37:2
c=40:4
c=42:2
c=44:2
c=45:1
现在,相加:4+2=6(直到c=4)
+4=10(c=5)
+4=14(c=6)
+2=16(c=8)
+2=18(c=13)
+3=21(c=15)
+2=23(c=16)
+2=25(c=19)
+4=29(c=20)
+2=31(c=27)
+4=35(c=28)
+2=37(c=29)
+4=41(c=30)
+2=43(c=33)
+3=46(c=35)
+2=48(c=36)
+2=50(c=37)
+4=54(c=40)
+2=56(c=42)
+2=58(c=44)
+1=59(c=45)
是的。
所以总数是59。
要求解方程 x2+y2+z2=2025 的非负整数解(即 x,y,z≥0 的整数解)的个数,需要计算所有满足方程的有序三元组 (x,y,z) 的数量。
由于方程对称,可以通过固定一个变量(例如 z),然后求解剩余两个变量的平方和方程 x2+y2=2025−z2 的非负整数解数量。定义 sz=2025−z2,则对于每个 z,需要计算 r2(sz),即方程 x2+y2=sz 的非负整数解 (x,y) 的数量。
z 的取值范围为 0≤z≤45,因为 452=2025。计算每个 z 对应的 sz 和 r2(sz) 的值,结果如下表所示:
z | sz | r2(sz) |
---|---|---|
0 | 2025 | 4 |
1 | 2024 | 0 |
2 | 2021 | 0 |
3 | 2016 | 0 |
4 | 2009 | 2 |
5 | 2000 | 4 |
6 | 1989 | 4 |
7 | 1976 | 0 |
8 | 1961 | 2 |
9 | 1944 | 0 |
10 | 1925 | 0 |
11 | 1904 | 0 |
12 | 1881 | 0 |
13 | 1856 | 2 |
14 | 1829 | 0 |
15 | 1800 | 3 |
16 | 1769 | 2 |
17 | 1736 | 0 |
18 | 1701 | 0 |
19 | 1664 | 2 |
20 | 1625 | 4 |
21 | 1584 | 0 |
22 | 1541 | 0 |
23 | 1496 | 0 |
24 | 1449 | 0 |
25 | 1400 | 0 |
26 | 1349 | 0 |
27 | 1296 | 2 |
28 | 1241 | 4 |
29 | 1184 | 2 |
30 | 1125 | 4 |
31 | 1064 | 0 |
32 | 1001 | 0 |
33 | 936 | 2 |
34 | 869 | 0 |
35 | 800 | 3 |
36 | 729 | 2 |
37 | 656 | 2 |
38 | 581 | 0 |
39 | 504 | 0 |
40 | 425 | 4 |
41 | 344 | 0 |
42 | 261 | 2 |
43 | 176 | 0 |
44 | 89 | 2 |
45 | 0 | 1 |
总解数为所有 r2(sz) 的和:
∑z=045r2(sz)=4+0+0+0+2+4+4+0+2+0+0+0+0+2+0+3+2+0+0+2+4+0+0+0+0+0+0+2+4+2+4+0+0+2+0+3+2+2+0+0+4+0+2+0+2+1=59
因此,方程 x2+y2+z2=2025 的非负整数解的个数为 59。
59