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不定方程正整数解的存在性证明
2025/07/22·StepFun can make mistakes, check important info.
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Reason
思考过程

题目要求证明不定方程 一定存在一组正整数解 ,其中至少有一个 。我们可以通过反证法结合均值不等式上界估计来证明。

反证法假设

假设存在一组正整数解 ,且所有 。我们需要证明这一假设会导致矛盾。

步骤1:分析方程两边的上界

,则方程左边为 ,右边为

根据算术-几何均值不等式(AM ≥ GM),对29个正数有:

因此,右边 需满足:

两边除以 ,得:

由于 ,且 (正整数),故 ,因此上式自然成立。但这仅是从AM-GM不等式推导的必要条件,需进一步分析上界。

步骤2:估计乘积 的上界

假设所有 ,则 (每个 最大为1990,乘积最大为各因子最大值的乘积)。

步骤3:分析方程左边的上界

对每个 ,利用平方和的放缩:

因此,左边总和满足:

又因为 是正整数,且假设 ,则 (每个 最大为1990,求和最大为各因子最大值的和)。因此:

步骤4:推导矛盾

右边 (因 )。

比较左右两边的上界:

显然成立,因为 远大于 (当 时,指数幂增长远快于常数倍)。但这与反证假设“左边和右边相等”矛盾——如果所有 ,则左边的上界远小于右边的上界,无法满足方程。

结论

反证法假设不成立,因此原不定方程一定存在一组正整数解,且其中至少有一个

(注:题目要求“证明”,最终结论是存在这样的解,过程通过反证法完成。)

要证明不定方程 存在正整数解,且至少有一个 ,我们采用反证法结合算术-几何均值不等式上界估计来推导矛盾。

步骤1:反证假设

假设存在一组正整数解 ,且所有

步骤2:分析方程两边的上界

(所有 的乘积),则方程左边为 ,右边为

(1)右边 的上界

由于每个 ,29个正整数的乘积最大为各因子最大值的乘积,即:

因此,右边 的上界为:

(2)左边 的上界

对每个 ,利用“平方的放缩”:

因此,左边总和满足:

又因 是正整数且 ,29个数的和最大为各因子最大值的和,即:

因此,左边 的上界为:

步骤3:推导矛盾

比较左右两边的上界:

  • 左边上界:
  • 右边上界:

由于 ,当指数增长时,幂次项主导大小。显然有:

但反证假设要求“左边 = 右边”(方程成立),而实际“左边的上界 < 右边的上界”,这意味着不存在所有 的正整数解,否则方程左右边无法相等(左边最大也不足以等于右边)。

结论

反证法假设不成立,因此原不定方程一定存在一组正整数解,且其中至少有一个