每日一题[2115]有理数引理

求所有的三元有序整数组,使得 $\sqrt{\dfrac{2015}{x+y}}+\sqrt{\dfrac{2015}{y+z}}+\sqrt{\dfrac{2015}{z+x}}$ 为正整数.

答案    $(4030,4030,28210)$ 及其轮换

解析    

先证明一个引理.

若 $p,q,r,\sqrt p +\sqrt q +\sqrt r$ 均为有理数,则 $\sqrt p,\sqrt q,\sqrt r$ 也均为有理数.

引理的证明

设 $S=\sqrt p+\sqrt q+\sqrt r$,则\[\sqrt p+\sqrt q =S-\sqrt r\implies p+2\sqrt{pq}+q=S^2-2S\sqrt r+r,\]于是\[\sqrt{pq}=\dfrac{S^2-p-q+r}2-S\sqrt r,\]于是\[pq=T^2-2ST\sqrt r+S^2r\implies \sqrt r=\dfrac{T^2+S^2r-pq}{2ST},\]其中 $T=\dfrac {S^2-p-q-r}2$,于是 $\sqrt r$ 是有理数.类似的,$\sqrt p,\sqrt q$ 也是有理数,引理得证. 由引理可知 $\sqrt{\dfrac{2015}{x+y}},\sqrt{\dfrac{2015}{y+z}},\sqrt{\dfrac{2015}{z+x}}$ 均为有理数,记 $N=2015$,且 $\sqrt{\dfrac{2015}{x+y}}=\dfrac ab$,其中 $a,b\in\mathbb N^{\ast}$ 且 $(a,b)=1$,则\[b^2\cdot N=a^2(x+y),\]于是 $a^2\mid N$,注意到 $N$ 为素数,因此 $a=1$.从而\[\sqrt{\dfrac{N}{x+y}}=\dfrac 1u,\quad \sqrt{\dfrac{N}{y+z}}=\dfrac 1v,\quad \sqrt{\dfrac{N}{z+x}}=\dfrac 1w,\]其中 $u,v,w\in\mathbb N^{\ast}$.注意到 $\dfrac 1u+\dfrac 1v+\dfrac 1w\leqslant 3$,因此只可能为 $1,2,3$.由于\[(x+y)+(y+z)+(z+w)=2(x+y+z)\]为偶数,因此 $u+v+w$ 也为偶数,进而只有 $(u,v,w)=(2,4,4)$ 及其轮换,此时\[(x,y,z)=(4030,4030,28210)_{\rm cyc}.\]

综上所述,所有符合题意的三元有序整数组只有 $(4030,4030,28210)$ 及其轮换.

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