아까 자작 해설
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문제 원본: https://orbi.kr/00038916112
크게 해설이 정수론을 조금이라도 배워본 학생과 그러지 않은 학생 사이에서 갈릴 것 같은데 둘 다 써보죠. Sol 2)가 처음 생각했던 풀이입니다.
Sol 1) 좌변의 p^m은 소수 p만을 소인수로 가지므로 우변인
(p+1)²+1=p²+2p+2도 p의 배수이어야 한다. 그럼,
p²+2p+2=p(p+2)+2에서, 2가 p의 배수임을 알 수 있으므로 이를 만족하는 소수 p는 2로 유일하다.
p=2를 대입 시 2^m=10에서, 이를 만족하는 자연수 m이 존재하지 않음을 알 수 있으므로 해당 식을 만족하는 순서쌍 (m,p)는 존재하지 않는다.
Sol 2) m=1부터 대입해보자.
p=(p+1)²+1=p²+2p+2에서,
0=p²+p+2
각 항이 죄다 양수이므로 이는 성립하지 않는다.
m=2를 대입하자.
p²=(p+1)²+1=p²+2p+2
0=2p+2
m=1일 때와 같은 원리로 성립하지 않는다.
m=3 이상 대입 시 고차방정식이 되므로 p²꼴에서 부등식을 생각해보자.
2p²-(p²+2p+2)=p²-2p-2에서, p=2에서 0의 값을 가지고 p>2에서 p²-2p-2>0이므로 이를 통해 부등식을 만들어 보자.
i) p=2
2^m=10에서, 이를 만족하는 자연수 m이 존재하지 않음을 알 수 있다.
ii) p>2
p^m=p²+2p+2<2p²
p²(p^(m-2)-2)<0
p>0이므로 p^(m-2)<2이어야 한다.
위에서 m>2임을 알 수 있으로 m-2>=1
p=p¹<=p^(m-2)<2
이는 p>2 가정에 모순이다. 따라서 이를 만족하는 순서쌍 (m,p)가 존재하지 않는다.
어떤 쪽 풀이든 나름 간단한 논리로 증명이 가능해서 혼자 만들어놓고도 해설 쓰면서 재밌었네요.
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