問題:已知a>b>c>0,其中a,b和c皆為雙數,滿足a³+b³+c³=2248。求a+b+c。
答案:由於三數皆是雙數,把a,b和c分別設為2m,2n和2p,其中m,n和p皆為正整數。然後代入算式,得(2m)³+(2n)³+(2p)³=2248,化簡得m³+n³+p³=281。
由於m最大,而剛好小於281的立方數是216=6³,等號兩方減去216,得n³+p³=65,又看到剛好小於65的立方數是64=4³,那就看出m、n和p,分別是6、4和1,從而a、b和c分別為12、8和2,故此a+b+c=12+8+2=22。
留意這裏沒有其他解,因為若果m為6時,n³+p³=65,易驗算得只有一組解。若果m不是6,立方和最大為5³+4³+3³=216<281。
解題時先利用未知數為雙數的特性,將未知數全新表示後化簡,得到數字較小的方程。之後由剛好小於等號右方的數開始檢查,依次找到三個數,最後考慮到若最大數取較小的值時,其立方和無法等於右方的數,故此答案唯一。
開始做題後若果沒有先去化簡至較小的形式,在開始的立方和為2248的情境下,想要試算各個立方和,得出的各個數就大得多了,討論情況較為複雜;而把立方和變為281,試算就變得容易了,但還是要確定答案是否唯一。
大致而言,確定唯一性是有跡可尋的,因為未知數都是由大至小的順序排列,最大數變小時,立方和也會變得很小,而且立方和只是281,這個數以下的立方數是很少的,即使全部試出來也較為容易。
以競賽題目的水平來說,這道題在一些較高層次的競賽上也可以作為入門題目,不過要附加證明才算是比較高層次,不然若只是計算題的話,說不定剛巧試對了數字就當作答案了,可能會忽略了答案唯一性的考慮。
題解裏的最後一行算式其實很優美,3³+4³+5³=6³,剛好是四個連續數,而且各數的次方相同,這個看來很有數學的美感。類似的情況還有用畢氏定理時,經常看到的32+42=52。等號兩邊有各個項相加,而各項的次方相同,這個是等冪和的問題,其中冪就是次方意思。等冪和問題是數論裏一個有趣的問題,有興趣的讀者可以在網上找些資料看。
在做數學題的過程中,一方面要在學習上要鍛煉嚴格的推論方式;另一方面,見到一些優美的算式,也可以停下來欣賞一下。由於各樣的計算,數字本身本身可以很繁複,所以平常難以看出其中的關係。若果突然發現,有些數字之間竟然有這麼簡潔明瞭的連繫,頗有美感。
我們思考時容易對複雜的現象厭煩,喜歡簡明的事理。只是太過簡單的話,就容易變得乏善可陳,沒什麼新意。就像今天介紹得題目,通過複雜的計算得到深刻的數字關係,最終表達式又簡潔,看起來就內外兼備,而數學裏算式的美感,許多時就在於這一點。
● 張志基
簡介:奧校於1995年成立,為香港首間提供奧數培訓之註冊慈善機構(編號:91/4924),每年均舉辦「香港小學數學奧林匹克比賽」,旨在發掘在數學方面有潛質的學生。學員有機會選拔成為香港代表隊,獲免費培訓並參加海內外重要大賽。詳情可瀏覽:www.hkmos.org。
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