Задача.
Решите уравнение 2^m-3^n=1, (1) где m, n – натуральные числа.
Решение.
Сначала выведем формулу:
a^k-b^k=(a-b)(a^(k-1)+a^(k-2)*b+a^(k-3)*b^2+ … + a*b^(k-2)+b^(k-1)), (*).
Найдём сумму членов геометрической прогрессии:
1+q+q^2+q^3+ … +q^(k-1)=(1-q^k)/(1-q), где q<>1.
Отсюда, 1-q^k=(1-q)( 1+q+q^2+q^3+ … +q^(k-1)), (**).
Положим в формуле (**) q=b/a. Тогда получим:
1-(b/a)^k=(1-(b/a))( 1+(b/a)+ (b/a)^2+(b/a)^3+ … +(b/a)^(k-1)).
Домножая обе части последнего равенства на a^k, получим формулу:
a^k-b^k=(a-b)(a^(k-1)+a^(k-2)*b+a^(k-3)*b^2+ … + a*b^(k-2)+b^(k-1)), (*).
Теперь перейдём к решению исходной задачи. Рассмотрим все возможные случаи.
I) n=1 = > (1) = > 2^m-3=1 < = > 2^m=4 < = > m=2. Следовательно, пара чисел m=2, n=1 – является решением
данного уравнения (1).
II) n>=2, n – натуральное число.
Докажем, что в этом случае, уравнение (1) не имеет натуральных решений (m,n).
Натуральное число n может быть либо чётным, либо нечётным.
1) если n – чётное число, то n=2k, где k-натуральное число.
n=2k = > (1) = > 2^m-3^(2k)=1 < = > 2^m=3^(2k)+1 < = > 2^m=9^k+1, (2).
Преобразуем правую часть равенства (2):
9^k+1=9^k+1-2+2=9^k-1+2=9^k-1^k+2=[по формуле (*)]=
=(9-1)(9^(k-1)+ … +1)+2=8*(9^(k-1)+ … +1)+2.
Заметим, что k>=1 = > 2k>=2 = > 3^(2k)>=9 = > 3^(2k)+1>=10 = > 2^m>=10>8 = > m>3.
Следовательно, равенство (2) невозможно, поскольку его левая часть нацело делится на 8, а правая часть при делении на 8 даёт в остатке 2.
2) если n – нечётное число и n>=2, то n=2k+1, k – натуральное число.
n=2k+1 = > (1) = > 2^m-3^(2k+1)=1 < = > 2^m=3*9^k+1, (3).
Преобразуем правую часть равенства (3):
3*9^k+1=3*9^k+1-4+4=3*9^k-3+4=3(9^k-1^k)+4=[по формуле (*)]=
=3(9-1)(9^(k-1)+ … +1)+4=3*8*(9^(k-1)+ … +1)+4.
Заметим, что k>=1 = > 2k+1>=3 = > 3^(2k+1)>=27 = > 3^(2k+1)+1>=28 = > 2^m>=28>16 = > m>4.
Следовательно, равенство (2) невозможно, поскольку его левая часть нацело делится на 8, а правая часть при делении на 8 даёт в остатке 4.
Таким образом, данное уравнение (1) имеет единственное решение в натуральных числах:
m=2, n=1.
Ответ: m=2, n=1.