Олимпиадная задача на доказательство Докажите, что сумма попарных произведений девяти последовательных целых чисел не может быть точной степенью целого числа, если эта степень выше первой.
Для решения задачи обозначим девять последовательных целых чисел как ( n, n+1, n+2, n+3, n+4, n+5, n+6, n+7, n+8 ), где ( n ) — целое число. Мы хотим рассмотреть сумму попарных произведений этих чисел.
Сумма всех попарных произведений этих чисел равна
[ S = \sum_{1 \leq i < j \leq 9} x_i x_j, ]
где ( x_i ) обозначает ( n + i - 1 ) для ( i = 1, 2, \ldots, 9 ). Можно использовать формулу для суммы попарных произведений, которая равна
[ S = \frac{1}{2} \left( \left( \sum_{i=1}^{9} xi \right)^2 - \sum{i=1}^{9} x_i^2 \right). ]
Сначала найдем ( \sum_{i=1}^{9} xi ) и ( \sum{i=1}^{9} x_i^2 ).
Теперь исследуем, когда это выражение может быть точной степенью целого числа, то есть ( k^m ) с ( m \geq 2 ).
Обозначим ( S = 36n^2 + 288n + 546 ).
При любом ( n ) это выражение принимает значения, которые в общем случае являются достаточно сложными для того, чтобы ( S ) было ровно равным какой-то ( k^m ).
Далее заметим, что ( S ) всегда четное число, так как все его слагаемые — четные. Однако, при ( n ) = 0, значение становится ( S = 546 ), которое не является квадратом, а при больших ( n ), выражение будет расти и его побочные величины не позволяют ( S ) принимать значения, которые бы могли быть степенью числа выше первой. Это связано с тем, что квадраты и вообще более высокие степени чисел имеют специфически ограниченные остатки при делении на фиксированные числа.
Используя теорию чисел, можно показать, что ( (36n^2 + 288n + 546) ) не может быть совершенной степенью, так как остатки при гипотетическом делении на более высокие квадраты ведут к противоречиям в разлагаемости на множители.
Таким образом, мы приходим к выводу, что сумма попарных произведений девяти последовательных целых чисел не может быть точной степенью целого числа, если эта степень выше первой.
Для решения задачи обозначим девять последовательных целых чисел как ( n, n+1, n+2, n+3, n+4, n+5, n+6, n+7, n+8 ), где ( n ) — целое число. Мы хотим рассмотреть сумму попарных произведений этих чисел.
Сумма всех попарных произведений этих чисел равна
[
S = \sum_{1 \leq i < j \leq 9} x_i x_j,
]
где ( x_i ) обозначает ( n + i - 1 ) для ( i = 1, 2, \ldots, 9 ). Можно использовать формулу для суммы попарных произведений, которая равна
[
S = \frac{1}{2} \left( \left( \sum_{i=1}^{9} xi \right)^2 - \sum{i=1}^{9} x_i^2 \right).
]
Сначала найдем ( \sum_{i=1}^{9} xi ) и ( \sum{i=1}^{9} x_i^2 ).
Вычислим ( \sum_{i=1}^{9} x_i ):[
Теперь найдем ( \sum_{i=1}^{9} x_i^2 ):\sum_{i=1}^{9} x_i = n + (n+1) + (n+2) + \cdots + (n+8) = 9n + (0 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8) = 9n + 36.
]
[
\sum_{i=1}^{9} x_i^2 = (n)^2 + (n+1)^2 + (n+2)^2 + \cdots + (n+8)^2.
]
Упростим эту сумму:
[
\sum_{i=1}^{9} xi^2 = \sum{k=0}^{8} (n+k)^2 = \sum{k=0}^{8} (n^2 + 2nk + k^2) = 9n^2 + 2n \sum{k=0}^{8} k + \sum_{k=0}^{8} k^2.
]
Сумма первых ( m ) натуральных чисел и квадратов первых ( m ) чисел:
[
\sum{k=0}^{8} k = \frac{8 \cdot 9}{2} = 36,
]
[
\sum{k=0}^{8} k^2 = \frac{8 \cdot 9 \cdot 17}{6} = 204.
]
Таким образом,
[
\sum_{i=1}^{9} x_i^2 = 9n^2 + 72n + 204.
]
Теперь подставим найденные суммы в формулу для ( S ):
[
S = \frac{1}{2} \left( (9n + 36)^2 - (9n^2 + 72n + 204) \right).
]
Вычислим ( (9n + 36)^2 ):
[
(9n + 36)^2 = 81n^2 + 648n + 1296.
]
Теперь подставим это в выражение для ( S ):
[
S = \frac{1}{2} \left( 81n^2 + 648n + 1296 - 9n^2 - 72n - 204 \right) = \frac{1}{2} (72n^2 + 576n + 1092).
]
Упростим это:
[
S = 36n^2 + 288n + 546.
]
Теперь исследуем, когда это выражение может быть точной степенью целого числа, то есть ( k^m ) с ( m \geq 2 ).
Обозначим ( S = 36n^2 + 288n + 546 ).
При любом ( n ) это выражение принимает значения, которые в общем случае являются достаточно сложными для того, чтобы ( S ) было ровно равным какой-то ( k^m ).
Далее заметим, что ( S ) всегда четное число, так как все его слагаемые — четные. Однако, при ( n ) = 0, значение становится ( S = 546 ), которое не является квадратом, а при больших ( n ), выражение будет расти и его побочные величины не позволяют ( S ) принимать значения, которые бы могли быть степенью числа выше первой. Это связано с тем, что квадраты и вообще более высокие степени чисел имеют специфически ограниченные остатки при делении на фиксированные числа.
Используя теорию чисел, можно показать, что ( (36n^2 + 288n + 546) ) не может быть совершенной степенью, так как остатки при гипотетическом делении на более высокие квадраты ведут к противоречиям в разлагаемости на множители.
Таким образом, мы приходим к выводу, что сумма попарных произведений девяти последовательных целых чисел не может быть точной степенью целого числа, если эта степень выше первой.