证明以下命题:
【难度】
【出处】
无
【标注】
-
对任一正整数 $a$,都存在正整数 $b,c\left(b < c\right)$,使得 ${a^2}$,${b^2}$,${c^2}$ 成等差数列;标注答案解析易知 ${1^2}$,${5^2}$,${7^2}$ 成等差数列,故 ${a^2}$,${\left(5a\right)^2}$,${\left(7a\right)^2}$ 也成等差数列,
所以对任一正整数 $a$,都存在正整数 $b = 5a$,$c = 7a$,$\left(b < c\right)$,
使得 ${a^2}$,${b^2}$,${c^2}$ 成等差数列. -
存在无穷多个互不相似的三角形 ${\triangle _n}$,其边长 ${a_n}$,${b_n}$,${c_n}$ 为正整数且 $a{}_n^2$,$b{}_n^2$,$c{}_n^2$ 成等差数列.标注答案解析若 $a{}_n^2$,$b{}_n^2$,$c{}_n^2$ 成等差数列,则有 $b_n^2 - a_n^2 = c_n^2 - b_n^2$,即\[\left({b_n} - {a_n}\right)\left({b_n} + {a_n}\right) = \left({c_n} - {b_n}\right)\left({c_n} + {b_n}\right), \quad \cdots \cdots ① \]选取关于 $n$ 的一个多项式,例如 $4n\left({n^2} - 1\right)$,使得它可按两种方式分解因式,由于\[4n\left({n^2} - 1\right) = \left(2n - 2\right)\left(2{n^2} + 2n\right) = \left(2n + 2\right)\left(2{n^2} - 2n\right),\]因此令\[{\begin{cases}
{a_n} + {b_n} = 2{n^2} - 2n, \\
{b_n} - {a_n} = 2n + 2 ,\\
\end{cases}}{\begin{cases}{c_n} + {b_n} = 2{n^2} + 2n, \\
{c_n} - {b_n} = 2n - 2, \\
\end{cases}}\]可得\[\begin{cases}a_n = {n^2} - 2n - 1, \\
b_n = {n^2} + 1,\\
c_n = {n^2} + 2n - 1,
\end{cases} \left(n \geqslant 4\right)\]易验证 $a{}_n^{}$,$b{}_n^{}$,$c{}_n^{}$ 满足 ①,因此 $a{}_n^2$,$b{}_n^2$,$c{}_n^2$ 成等差数列.
当 $n \geqslant 4$ 时,有 ${a_n} < {b_n} < {c_n}$,且\[{a_n} + {b_n} - {c_n} = {n^2} - 4n + 1 > 0,\]因此以 ${a_n}$,${b_n}$,${c_n}$ 为边可以构成三角形,将此三角形记为 $ \triangle_n\left(n\geqslant4\right)$.
其次,任取正整数 $m,n$ $\left(m,n \geqslant 4,且 m \ne n\right)$,假若三角形 ${\triangle _m}$ 与 ${\triangle _n}$ 相似,则有:\[\dfrac{{{m^2} - 2m - 1}}{{{n^2} - 2n - 1}} = \dfrac{{{m^2} + 1}}{{{n^2} + 1}} = \dfrac{{{m^2} + 2m - 1}}{{{n^2} + 2n - 1}},\]据比例性质有:\[\begin{split}\dfrac{{{m^2} + 1}}{{{n^2} + 1}} &= \dfrac{{{m^2} + 2m - 1}}{{{n^2} + 2n - 1}} = \dfrac{{\left({m^2} + 2m - 1\right) - \left({m^2} + 1\right)}}{{\left({n^2} + 2n - 1\right) - \left({n^2} + 1\right)}} = \dfrac{{{m^{}} - 1}}{{{n^{}} - 1}},\\ \dfrac{{{m^2} + 1}}{{{n^2} + 1}} &= \dfrac{{{m^2} - 2m - 1}}{{{n^2} - 2n - 1}} = \dfrac{{\left({m^2} - 2m - 1\right) - \left({m^2} + 1\right)}}{{\left({n^2} - 2n - 1\right) - \left({n^2} + 1\right)}} = \dfrac{{{m^{}} + 1}}{{{n^{}} + 1}} ,\end{split}\]所以 $\dfrac{{m + 1}}{{n + 1}} = \dfrac{{m - 1}}{{n - 1}}$,由此可得 $m = n$,与假设 $m \ne n$ 矛盾,
即任两个三角形 ${\triangle _m}$ 与 ${\triangle _n}$ $\left(m,n \geqslant 4,m \ne n\right)$ 互不相似,
所以存在无穷多个互不相似的三角形 ${\triangle _n}$,其边长 ${a_n},{b_n},{c_n}$ 为正整数且 $a_n^2$,$b_n^2$,$c_n^2$ 成等差数列.
题目
问题1
答案1
解析1
备注1
问题2
答案2
解析2
备注2