题目要求证明不定方程 x12+x22+⋯+x292=20x1x2⋯x29 一定存在一组正整数解 (x1,x2,…,x29),其中至少有一个 xi>1990。我们可以通过反证法结合均值不等式和上界估计来证明。
假设存在一组正整数解 (x1,x2,…,x29),且所有 xi≤1990。我们需要证明这一假设会导致矛盾。
设 S=x1x2⋯x29,则方程左边为 ∑i=129xi2,右边为 20S。
根据算术-几何均值不等式(AM ≥ GM),对29个正数有:
29x12+x22+⋯+x292≥(x12⋅x22⋅⋯⋅x292)291
即
∑i=129xi2≥29⋅(x1x2⋯x29)292
因此,右边 20S=20x1x2⋯x29 需满足:
20x1x2⋯x29≥29⋅(x1x2⋯x29)292
两边除以 (x1x2⋯x29)292,得:
20⋅(x1x2⋯x29)2927≥29
由于 2927>0,且 xi≥1(正整数),故 x1x2⋯x29≥1,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。
假设所有 xi≤1990,则 S=x1x2⋯x29≤199029(每个 xi 最大为1990,乘积最大为各因子最大值的乘积)。
对每个 xi,利用平方和的放缩:
xi2=xi⋅xi≤xi⋅1990(因 xi≤1990)
因此,左边总和满足:
∑i=129xi2≤∑i=1291990⋅xi=1990⋅∑i=129xi
又因为 xi 是正整数,且假设 xi≤1990,则 ∑i=129xi≤29×1990(每个 xi 最大为1990,求和最大为各因子最大值的和)。因此:
∑i=129xi2≤1990×29×1990=19902×29
右边 20S≤20×199029(因 S≤199029)。
比较左右两边的上界:
19902×29<20×199029
显然成立,因为 199027 远大于 2029(当 1990≥2 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 xi≤1990,则左边的上界远小于右边的上界,无法满足方程。
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 xi>1990。
证明成立 (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 x12+x22+⋯+x292=20x1x2⋯x29 存在正整数解,且至少有一个 xi>1990,我们采用反证法结合算术-几何均值不等式和上界估计来推导矛盾。
假设存在一组正整数解 (x1,x2,…,x29),且所有 xi≤1990。
设 S=x1x2⋯x29(所有 xi 的乘积),则方程左边为 ∑i=129xi2,右边为 20S。
由于每个 xi≤1990,29个正整数的乘积最大为各因子最大值的乘积,即:
S≤199029
因此,右边 20S 的上界为:
20S≤20×199029
对每个 xi,利用“平方的放缩”:
xi2=xi⋅xi≤xi⋅1990(因 xi≤1990)
因此,左边总和满足:
∑i=129xi2≤∑i=1291990⋅xi=1990⋅∑i=129xi
又因 xi 是正整数且 xi≤1990,29个数的和最大为各因子最大值的和,即:
∑i=129xi≤29×1990
因此,左边 ∑xi2 的上界为:
∑i=129xi2≤1990×29×1990=19902×29
比较左右两边的上界:
由于 1990>1,当指数增长时,幂次项主导大小。显然有:
19902×29<20×199029
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 xi≤1990 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)。
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 xi>1990。
证明成立