若正整数 $a,b,c$ 满足:对任意正整数 $n$,存在整数 $x,y,z$ 使得 $ax^2+by^2+cz^2=n$ 成立.求 $\min\{a,b,c\}$ 的最大可能值.
【难度】
【出处】
【标注】
【答案】
【解析】
一方面,我们取 $a=1,b=-1,c=1$,对任意整数 $k$,有$$\left(\dfrac{k(k+1)}{2}\right)^2-\left(\dfrac{k(k+1)}{2}+1\right)^2+(k+1)^2=k.$$注意 $\dfrac{k(k+1)}{2}$ 是整数,故此时满足条件.这表明 $\min\{a,b,c\}$ 可以是 $-1$.
其次,我们证明 $\min\{a,b,c\}\leqslant-1$.
用反证法,设 $a,b,c$ 均为非负整数,令 $n=1$ 知,$a,b,c$ 中有一个为 $1$,不妨设 $a=1$.
再令 $n=2$ 知,$b,c$ 中有一个为 $1$ 或 $2$,不妨设 $b\leqslant c$,则 $b\le2$.
若 $b=0$,显然 $c\ne0,c\ge1$.我们考虑 $x^2+cz^2$ 能表示全体不超过 $4$ 的正整数,我们必然有如下形式:$1,4,c,1+c,4c$.
由于 $2$ 可以被表示,$c\ge1$,故 $2$ 只能被 $c,1+c$ 其中之一表示,故 $c\in\{1,c\}$.
$3$ 只能被 $1+c$ 其中之一表示,故 $c=2$.但 $x^2+2z^2$ 不能表示 $5$.矛盾.
若 $b=1$,我们考虑 $x^2+y^2+cz^2$ 能表示全体不超过 $7$ 的正整数,我们必然具有如下形式:$1,2,4,5,c,1+c,2+c,4+c,5+c,4c,1+4c,2+4c$.
由于 $3$ 可以被表示,$c\ge1$,故 $3$ 只能被 $c$,$1+c$,$2+c$ 其中之一表示,故 $c\in\{1,2,3\}$.$6$ 只能被 $4+c$,$5+c$,$2+4c$ 其中之一表示,故 $c\in\{1,2\}$.
$7$ 只能被 $5+c$ 表示,故 $c=2$,但 $x^2+y^2=2z^2$ 不能表示 $14$,矛盾.
若 $b=2$,我们考虑 $x^2+2y^2+cz^2$ 能表示全体不超过 $10$ 的正整数,我们必然具有如下形式 $1,2,3,4,6,8,9,c,1+c,3+c,4+c,8+c,4c,1+4c,2+4c$.
由于 $7$ 可以被表示,$c\ge2$,故 $7$ 只能被 $c,1+c,2+c,3+c,4+c$ 其中之一表示,故 $c\in\{3,4,5,6,7\}$.
$5$ 只能被 $c,1+c,2+c$ 其中之一表示,故 $c\in\{3,4,5\}$.
$10$ 只能被 $6+c$ 表示,故 $c=4$,但 $x^2+2y^2+4z^2$ 不能表示 $14$,矛盾.
故 $\min\{a,b,c\}\leqslant -1$.这表明其最大可能值为 $-1$.
答案 解析 备注
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