«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал (издаётся с 1970 года)
Старый сайт журнала: kvant.ras.ru

Задача М177

Условие задачи (1972, № 12) Задача М177 // Квант. — 1972. — № 12. — Стр. 34; 1973. — № 8. — Стр. 64—65.

Найдите все решения уравнения $$ \sqrt[\scriptstyle n~]{x^n-a^n}+\sqrt[\scriptstyle n~]{2a^n-x^n}=a, $$ где $a$‍‍ — заданное вещественное число, $n$‍‍ — натуральное число, большее единицы.

Т. Темиров


Решение задачи (1973, № 8) Задача М177 // Квант. — 1972. — № 12. — Стр. 34; 1973. — № 8. — Стр. 64—65.

Разберём сначала особый случай $a=0$‍.‍ Получаем: $$ \!\sqrt[\scriptstyle n~]{x^n}+\!\sqrt[\scriptstyle n~]{-x^n}=0. $$

Если $n$‍‍ — чётное, то единственным решением будет $x=0$‍‍ (так как иначе $x^n$‍‍ и $-x^n$‍‍ имеют разные знаки, и один из корней не имеет смысла). Если $n$‍‍ — нечётное, то любое $x$‍‍ будет решением.

Пусть теперь $a\ne0$‍.‍ Обозначив $\!\sqrt[\scriptstyle n~]{x^n-a^n}$‍‍ через $y$‍,‍ а $a-y$‍‍ через $z$‍,‍ получаем систему: $$ \left.\begin{array}{l} y+z=a, \\ y^n+z^n=a^n. \end{array}\right\}\tag{1} $$

Пусть $$ \left.\begin{array}{l} y=a,\\ z=0 \end{array}\right\}\quad\text{или}\quad\left. \begin{array}{l} y=0, \\ z=a. \end{array}\right\} $$

В этих случаях оба равенства выполняются. Посмотрим, какие это даёт ответы. Вычислим $x$‍:‍ $$ x^n=2a^n\quad\text{или}\quad x^n=a^n. $$ Эти равенства выполняются при $$ x= \begin{cases} a\sqrt[\scriptstyle n~]{2}, \\ \pm a\sqrt[\scriptstyle n~]{2} \end{cases} \quad\text{и}\quad x= \begin{cases} a,&\text{если}~n~\text{— нечётное},\\ \pm a,&\text{если}~n~\text{— чётное,} \end{cases} $$ соответственно. Подставляя эти значения $x$‍‍ в исходное уравнение, получаем в обоих случаях одно и то же: $$ \!\sqrt[\scriptstyle n~]{a^n}=a. $$ Это верно: при всех $a$‍,‍ если $n$‍‍ — нечётное, при $a\ge0$‍,‍ если $n$‍‍ — чётное.

Докажем теперь, что при $a\ne0$‍,$y\ne0$‍,$z\ne0$‍‍ система (1) выполняться не может. Достаточно рассмотреть только тот случай, когда $a\gt0$‍,$y\ge z$‍.‍ Действительно, если $\{y,z,a\}$‍‍ — её решение, причём $a\lt0$‍,‍ то и $\{-y,-z,-a\}$‍‍ — также её решение. Далее, если в решении поменять значения $y$‍,$z$‍‍ местами, то получим снова решение. Знaчит, если есть решение при $a\ne0$‍,‍ то есть и решение при $a\gt0$‍,‍ такое, что $y\ge z$‍.

Итак, пусть $a\gt0$‍,$y\ge z$‍.‍ Рассмотрим два случая.

а) $z\gt0$‍.‍ Тогда $$ y^n+z^n=(y+z)^n,\tag2 $$ откуда $z^n=(y+z)^n-y^n=(y+z-y)\left[(y+z)^{n-1}+\ldots+y^{n-1}\right]$‍.‍ Но $z^n\lt z(y+z)^{n-1}$‍,‍ поэтому равенство (2) невозможно.

б) $z\lt 0$‍.‍ Положим $z=-w$‍.

При $n$‍‍ чётном система (1) принимает вид $$ \left.\begin{array}{l} y-w=a, \\ y^n+w^n=a^n. \end{array}\right\} $$ Решений нет, так как из первого уравнения $y\gt a$‍,‍ откуда $y^n\gt a^n$‍‍ и тем более $y^n+w^n\gt a^n$‍.‍ При $n$‍‍ нечётном система (1) принимает вид $$ \left.\begin{array}{l} y-w=a, \\ y^n-w^n=a^n \end{array}\right\} $$ или $$ \left.\begin{array}{l} a+w=y, \\ a^n+w^n=y^n \end{array}\right\} $$ что аналогично случаю а).

Итак, вот окончательный ответ.

Если $n$‍‍ нечётное, то при всех $a\ne0$‍$x_1=a\sqrt[\scriptstyle n~]2$‍,$x_2=a$‍;‍ при $a=0$‍‍ любое $x$‍‍ — решение.

Если $n$‍‍ чётное, то при $a\gt0$‍$x_{1,~2}=\pm a\sqrt[\scriptstyle n~]{2}$‍,$x_{3,~4}=\pm a$‍,‍ при $a=0$‍$x=0$‍,‍ а при $a\lt0$‍‍ решений нет.

Большинство ошибок в письмах, присланных читателями, связано с тем, что указываемый ответ верен не при всех значениях параметров $a$‍‍ и $n$‍;‍ иногда ответ указан верно, но доказательство, что других решений нет, отсутствует.

А. Л. Тоом


Метаданные Задача М177 // Квант. — 1972. — № 12. — Стр. 34; 1973. — № 8. — Стр. 64—65.

Предмет
Математика
Условие
Решение
Номера

1972. — № 12. — Стр.  [условие]

1973. — № 8. — Стр.  [решение]

Описание
Задача М177 // Квант. — 1972. — № 12. — Стр. 34; 1973. — № 8. — Стр. 64‍—‍65.
Ссылка
https://www.kvant.digital/problems/m177/