71
$\开始组$

今天,我自我实现了一个有趣的性质,即属于无限集$${(a,b):a=(2l+1)^2,b=(2k+1)^ 2;在N中,k\l,k\geq1\}$$的所有数字$(a,b)$都有AM和GM二者都整数。

现在我想知道是否存在真实的数字$(a,b)$的算术平均值、几何平均值和调和平均值(AM、GM、HM)所有三个是整数。另外,我想知道对于$(a,b)$来说,是否有一个更强的结果整数存在。

我试图证明这一点,但我发现这并不容易。对于AM,很容易假设实际$a$和AM$m_1$,这样第二个实际$b$等于$2m_1-a$。对于GM,我们得到一个条件$m_2=\sqrt{(2m_1-a)a}$。如果$m_2$是一个整数,那么……什么?我不确定确切地如何以这种方式限制$a$和$m1$的可能值。

$\端组$
2

7个答案7

重置为默认值
87
$\开始组$

详述克里斯汀·布拉特的回答。

这里有几个关键点。

  • 两个有理数的算术平均值总是有理的。
  • 两个非零有理数的调和平均总是有理的。
  • 两个平方正整数的几何平均值总是一个整数。
  • 对于所有三种类型的平均值,如果我们将每个输入乘以一个正实值,我们也会将结果乘以相同的值。

这些关键点导致了一种寻找am、gm和hm都是整数的数字的策略。

  • 选择GM为整数的一对整数。
  • 计算AM和HM
  • 乘以AM和HM的分母。

现在,选择任意两个不同的正整数$x$和$y$来完成此操作。

$$\mathrm{GM}(x^2,y^2)=xy$$$$\mathrm{AM}(x^2,y^2)=\frac{x^2+y^2}{2}$$$$\mathrm{HM}(x^2,y^2)=\frac{2x^2y^2}{x^2+y^2{$$

设$t=2(x^2+y^2)$设$a=tx^2$设$b=ty^2$。由于只涉及正整数的加法、乘法和平方运算,很明显$t$、$a$和$b$都是正整数。很明显,a和b是不同的。

$$\mathrm{GM}(a,b)=txy$$$$\mathrm{AM}(a,b)=t\frac{x^2+y^2}{2}=(x^2+y^2)^2$$$$\mathrm{HM}(a,b)=t\frac{2x^2y^2}{x^2+y^2{=4x^2y ^2$$

同样,由于所有这些值都可以通过对正整数进行加法、乘法和平方运算来计算,因此它们都是正整数。

让我们插入一些数字,例如$x=1$和$y=2$

$$t=10美元$$$$a=10$$b美元=40$$$$\mathrm{GM}(10,40)=20$$$$\mathrm{AM}(10,40)=25$$$$\mathrm{HM}(10,40)=16$$


事实上,我们可以扩展此技术以找到任意大小的整数列表,其中任何子集的AM、GM和HM都是整数。只需从$x^{n!}$形式的整数开始,那么GM都是整数。然后计算出AM和HM并进行乘法运算。

$\端组$
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41
$\开始组$

取$1$,任意平方$>1$。用AM和HM的最小公分母将它们相乘。

$\端组$
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    $\开始组$ 我好奇地计算出:这个收益率的最小示例是$(10,40)$,其中AM$25$、GM$20$和HM$16$。 $\端组$
    – 用户856
    评论 2018年4月16日11:02
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$\开始组$

对于任何$$(a,b)=(km^2(m^2+n^2),kn^2(m ^2+n ^2)),$$其中$k,m,n\in\mathbb{无}_+$和$2\mid-a-b$,有$$\裂缝{a+b}{2}\在\mathbb{Z}中,\quad\sqrt{ab}=kmn(m^2+n^2)\在\mathbb{Z}中。$$

$\端组$
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    $\开始组$ 对于懒惰者,最小的非平凡对是(40,10)。 $\端组$ 评论 2018年4月16日16:41
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    $\开始组$ 然而,$(45,5)$是$(25,15,9)$中最小的(AM、GM、HM)。 $\端组$
    – 罗布约翰
    评论 2018年4月25日5:25
  • $\开始组$ 这里给出的参数化math.stackexchange.com/questions/1971809/…是错误的。我编辑它以反映正确的参数化,你为什么拒绝它? $\端组$ 评论 2018年11月23日4:41
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+200
$\开始组$

以下是您如何从零开始计算答案,而无需对表单进行任何巧妙的洞察“让我们尝试这样的解决方案!".

需要一些“交易技巧”,当他们出现时我会指出。但这些都是通用的技巧,而不是对这个问题的具体见解。除此之外,我们只会在每个步骤中做最简单的事情:-)。


当我第一次回答这个问题时,我把这个问题误解为要求我们的数字是整数。无论哪种方式,这似乎都是一个有趣的问题,所以这里首先是我的原始答案,然后是一个版本(正如OP所希望的那样)做出这样的假设。

当我们的数字必须是整数时

假设我们的两个数字是$a,b$。它们的几何平均值是$\sqrt{ab}$;这是一个整数,所以$ab$是一个平方。所以[TRICK 1]对于某些整数$p,q,r$,我们必须有$a=pq^2$和$b=pr^2$。

这考虑了几何平均值。算术平均值只需要$a,b$就可以有相同的奇偶校验,这很容易。那么谐波意味着什么呢?这是$\frac{2ab}{a+b}$。它必须是一个整数,所以让我们给它一个名称,$h$说。所以$2ab=h(a+b)$或者,根据我们上面介绍的新变量,$2p^2q^2r^2=ph(q^2+r^2)$。让我们损失一个系数$p$:$2pq^2r^2=h(q^2+r^2)$。记住,这个等式是我们唯一需要的除了确保$a、b$都是奇数或偶数之外。

接下来要注意的是,LHS是$q^2$和$r^2$的倍数。如果右边的$q^2+r^2$这个因子没有阻碍,那不是很好吗?啊哈!我们可以摆脱它,因为我们可以假设$q$和$r$是互质.为什么?因为我们只需要$a=pq^2$和$b=pr^2$,如果$q,r$有一个公因数,我们可以把它的平方移到$p$中。

所以,我们有$q,r$互质。现在$q^2\mathrel|2pq^2r^2=h(q^2+r^2)$。由于显然$q^2 \mathrel|hq^2$,这产生了$q^2 \mathrel|hr^2$,现在由于$q,r$没有公共因子,我们必须有$q^2 \mathrel|h$。类似地,$r^2\mathrel|h$。更好的是,因为$q,r$没有共同的因子,这两个因子给了我们$q^2r^2\mathrel|h$。

就像原来的HM一样,我们有一个东西要除掉另一个东西,所以让我们命名商。说$h=tq^2r^2$。我们看到的方程式发生了什么变化?它变成$2pq^2r^2=tq^2r ^2(q^2+r^2)$,或者,除垃圾后,$2p=t(q^2+r^1)$。

但现在我们完成了,因为我们可以(再次,除了对平价有点谨慎之外)将$q、r、t$作为我们喜欢的任何东西,并且定义按这个等式$p$!然后我们将得到$p=t(q^2+r^2)/2$,然后$a=pq^2$和$b=pr^2$。

让我们找出那些奇偶约束。如果$q,r$具有相同的奇偶校验(即都是奇数或都是偶数),那么$q^2+r^2$是偶数,所以$p$自动是整数,$a,b$自动具有相同的奇偶校验,所以一切都好。如果$q,r$具有相反的奇偶性,那么我们将需要$p$不仅是整数,而且是偶数,并且由于$q^2+r^2$将是奇数,这需要$t$是4的倍数。


将这些位放在一起,以下过程(1)总是产生带有AM、GM、HM所有整数的$a、b$,并且(2)产生每个可能的$a和b$:

选择正整数$q、r、t$。如果$q、r$的平价相反,则$t$必须是4的倍数;否则$t$是不受限制的。现在写$p=t(q^2+r^2)/2$,然后写$a=pq^2$和$b=pr^2$。(这给出了$a\neq-b$提供的$q\neq-r$。)


让我们看几个简单的例子,试图使我们的数字变小。首先,$q,r$具有相同的平价。让我们试试$q=1,r=3$。那么$t$可以是任何东西;让我们把它设置为1。我们得到$p=5$,然后$a,b=5,45$。AM是25,GM是15,HM是9。

接下来,$p,q$的平价相反。让我们试试$q=1,r=2$。那么$t$必须是4的倍数;让我们定为4。我们得到$p=10$,然后得到$a,b=10,40$。AM是25,GM是20,HM是16。


当我们的数字不需要是整数时

正如我在上面所承认的,所有这些都假设你特别希望你的数字$a,b$是整数。如果你很高兴他们能成为任何实数呢?这给了你多少额外的自由?也许比你想象的要少;让我们看看。再一次,到目前为止,我只想做一些简单的事情,看看它们会走向何方。

首先,他们的AM是一个整数。称之为$n$;对于某些(不一定是整数)$d$,我们的数字是$a=n+d$和$b=n-d$。现在GM$\sqrt{ab}$也是一个整数,所以它的平方$ab$当然是,所以$(n+d)(n-d)=n^2-d^2$是一个整数。所以$d$是整数的平方根;假设它是$\sqrt{m}$。最后,HM是$\frac{2ab}{a+b}=\frac{ab}个=\frac{n^2-m}n$,所以$m$是$n$的整数倍,比如$kn$。

到目前为止,我们已经知道对于某些整数$n,k$,我们有$a,b=n\pm\sqrt{kn}$。我们唯一还没有使用的是GM本身(不仅仅是它的平方)是一个整数;也就是说,$n^2-kn=n(n-k)$是一个正方形;我们在上面建立的条件足以使AM和HM平方,而GM是整数的平方根。所以,唯一进一步的条件是$n(n-k)$是一个正方形。好吧,根据上面的TRICK1,这与整数$p,q,r$的$n=pq^2$和$n-k=pr^2$相同。

因此,当$a、b$不必是整数时,以下是一般的解决方案:

选择正整数$p、q、r$,其中$r<q$。写下$n=pq^2$和$k=p(q^2-r^2)$。设置$a,b=n\pm\sqrt{kn}$。

让我们再次看一个简单的例子,其中涉及的整数是小的,而$a、b$本身不是整数。首先,取$p=1,q=2,r=1$。然后$n=4$和$k=3$,我们的数字是$4\pm\sqrt{12}$。AM为4;总经理为2人;HM为1。

$\端组$
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  • 4
    $\开始组$ 这太棒了!一旦这个问题从HNQ名单上消失,我肯定会给它200英镑的奖金!你得到的直觉是惊人的简单和流畅。此外,这是迄今为止所有答案中最普遍的一个。你得到的结果与彼得的回答,但他没有描述$p$和$q$平价的两种情况,因此他的结果是有限的。再次感谢! $\端组$ 评论 2018年4月17日12:03
  • 2
    $\开始组$ 技巧1是如何跟进的?取$a=2\sqrt{2}$和$b=\sqrt}2}$,使$ab=4$为方形,但对于整数$p、q、r$,这两个数字都不是$pq^2$或$pr^2$的形式。[这些都行不通,因为你可以从AM和HM是整数中推导出合理性和整数约束,但你似乎假设$a$和$b$是整数,没有任何讨论或声明] $\端组$ 评论 2018年4月18日3:06
  • 2
    $\开始组$ @ZainPatel我认为这就是问题所在——Gareth假设$a$和$b$是整数。如果你想对一般情况进行分析,请继续! $\端组$
    – 查尔斯
    评论 2018年4月18日4:06
  • 2
    $\开始组$ 这个问题明确指出$a$和$b$是实数。答案明确地回答了这个问题,并且以一种很好的方式(+1)做到了这一点,然而它产生了一种说法全部的解决方案是错误的。 $\端组$ 评论 2018年4月18日7:01
  • 1
    $\开始组$ 很好,现在似乎已经修好了:-)@celtschk看看,我觉得现在很完美! $\端组$ 评论 2018年4月21日4:49
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$\开始组$

通常,解决此类问题的一个简单方法是扭转局面:

选择三个整数。是否有实数使得GM、AM和HM是这三个整数?

你只需求解这两个实数。

这在这里可能不起作用,因为你两个未知数中的方程。但你可以选择例如GM和AM。从那里你可以解出数字,然后计算HM,问题是如何使HM也成为整数。

通过定义并假设$\mathrm{AM}(x,y)\neq0$,您可以最终确定

$$x,y=\mathrm{AM}(x,y$$$$\mathrm{HM}(x,y)=\frac{\mathrm{GM}(x,y)^2}{\mathr{AM}(y,x)}$$

现在很容易确定全部的原始问题的解决方案。它们是通过选择满足以下条件的整数$g$和$a$获得的:

  • $|a|>|g|$
  • $a$除以$g^2$
  • $a\neq 0美元$

然后你可以设置

  • $x,y=a\pm\sqrt{a^2-g^2}$
  • $\mathrm{AM}(x,y)=a$
  • $\mathrm{GM}(x,y)=g$
  • $\mathrm{HM}(x,y)=\frac{g^2}{a}$

要进一步解决要求$x,y$为整数的问题,您需要安排$a^2-g^2$为完美平方。这有点复杂,与勾股三元组有关。


为了计算整数情况,我们需要更好地理解$a\mid g^2$条件的解决方案。

我大胆地断言,通过追踪可分割条件并使用事实$a\neq 0$,一般情况来自:

  • 选择整数$u,v,w$,使$\gcd(v,w)=1$,$v>0$,和$u\neq 0$
  • 设置$a=uv^2$
  • 设置$g=uvw$

根$a^2-g^2$需要是一个完美的正方形,然后将其简化为:

$$a^2-g^2=u^2 v^2(v^2-w^2)$$

当且仅当$|v|$和$|w|$是原语的两个组件时,它才有平方根毕达哥拉斯三元组,带有$v$斜边。

$|a|>|g|$条件简化为需要$|v|\neq|w|$。考虑到其他约束,这简化为$v>1$。

$\端组$
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  • 5
    $\开始组$ 我认为这是最好的答案,因为这是系统地得出完整解决方案的唯一答案,而且它很好地解释了这一点。此外,它基于一个可用于解决其他问题的一般原则,因此它的用处不仅限于回答特定问题。 $\端组$ 评论 2018年4月18日7:08
  • 2
    $\开始组$ 回答得很好。这也表明所有解都是整数或无理的。 $\端组$ 评论 2018年4月18日9:27
  • $\开始组$ 情况$a=g$导致整数$x,y$ $\端组$ 评论 2018年4月22日3:36
  • $\开始组$ a=g导致x=y,这违反了不同整数的问题要求。 $\端组$ 评论 2018年4月23日19:18
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$\开始组$

整数大小写

如果我们从$$a=\frac{x+y}2,\quad g=\sqrt{xy},\quad-h=\frac{2xy}{x+y}\tag1$$我们有这个$$ah=g^2\tag2$$此外,请注意$$a^2-g^2=\左(\frac{x-y}2\右)^2=d ^2 \标签3$$也就是说,$$a^2=g^2+d^2 \tag4$$所以这与毕达哥拉斯三元组.

此外,如果$a\mid-g^2$,那么$h=\frac{g^2}a$是一个整数。

给定任何毕达哥拉斯三元组,$k^2+m^2=n^2$,其中$(n,m)=1$(这个答案显示了如何生成所有原始勾股三元组),我们需要乘以$n$以确保$a\mid-g^2$。那就是,让我们$$a=n^2,quad d=mn,quad g=kn\tag5$$然后$$h=k^2,四元x=n(n+m),四元y=n(n-m)$$而$(6)$给出了所有$x,y\in\mathbb{Z}$,其中$\frac{x+y}2,\sqrt{xy},\frac[2xy}{x+y}\in\mathbb{Z}$和$\ left(\frac}x+y{2,\frac{2xy}{x+y}\right)=1$。


示例

最小的毕达哥拉斯三元组是$(3,4,5)$。这就产生了两对:

$(5(5+3),5(5-3))=(40,10)$,其(AM,GM,HM)为$(25,20,16)$。

$(5(5+4),5(5-4))=(45,5)$,其(AM,GM,HM)为$(25,15,9)$。


真实案例

如果我们让$x,y\in\mathbb{R}$,那么重要的限制是上面的$(2)$。也就是说,$ah=g^2$。那就是,如果我们有$$a=\prod_k p_k^{e_k}\tag7$$如果我们有$g\lta$,那么$$\左侧。\prod_k p_k^{\left\lceil e_k/2\right\rceil}\,\middle|\,g\right。\标签8$$其中$\lceil x\rceil$是天花板函数,最小整数不小于$x$。

那么$a\mid-g^2$和$h=\frac{g^2}a$是一个整数。请注意,要有$a\ne g$,我们需要一些$e_k\ge2$。对于这样的$a$和$g$,我们有$$x=a+\sqrt{a^2-g^2},\quad y=a-\sqrt}$$


示例

扩展以上示例,让我们考虑$a=25$。在这种情况下,我们正在寻找$g\lt25$,因此$5\mid g$$g=20$和$g=15$如上所示;然而,还有另外两种情况:

$g=10$:它给出$x=25+5\sqrt{21}$和$y=25-5\sqrt}$以及$h=4$。

$g=5$:得出$x=25+10\sqrt6$和$y=25-10\sqart6$以及$h=1$。

我们甚至可以有非正方形的$a$。例如,$a=12$。在这种情况下,我们正在寻找$g\lt12$,因此$6\mid g$。那就是,

$g=6$:得出$x=12+6\sqrt3$和$y=12-6\sqart3$以及$h=3$。

$\端组$
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$\开始组$

设$a+b=2n$和$ab=m^2$(这样算术和几何平均数就是任意整数$n$和$m$)。

调和平均值是$$\dfrac{2ab}{a+b}=\frac{m^2}n,$$,是的,你当然可以得到三个整数。

$\端组$
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    $\开始组$ 我对这篇帖子投了反对票,因为我看不出这篇文章是如何给赫尔基尔的回答中已经涵盖的内容增添了新的内容。 $\端组$ 评论 2018年4月22日2:56
  • 1
    $\开始组$ @高朗·坦登:谢谢你的反馈。 $\端组$
    – 用户65203
    评论 2018年4月22日15:35

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