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Elemental pero difícil

Enviado por jmd el 2 de Septiembre de 2009 - 20:50.
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Encontrar todos los números enteros positivos de cuatro cifras de la forma $ n=abab $ (la primera y la tercera cifras son iguales, así como la segunda y la cuarta) y tales que el producto de sus cifras divide a $ n^2 $.

Sugerencia
Por: 
jmd
Sugerencia: 

Expresa abab en potencias de 10 y haz una factorización conveniente.

Solución
Por: 
jmd
Fecha: 
8 Sep 2009
Solución: 

Los números $  n  $ se expresan como $ 1000a+100b+10a+b=10a(100+1)+b(100+1)=101(10a+b) $, donde $ a, b $ son dígitos distintos de cero (de otra manera el producto de sus cifras es cero). Pero el producto de sus cifras es $ (ab)^2 $ y es un factor de $ n^2 $. Es decir, $ ab $ divide a $ n=101(10a+b) $. Por tanto, $ a $ divide a $ 10a+b $ (puesto que no podría dividir a un primo) y $ b $ divide a $ 10a+b $ (por ser 101 primo).

De "a divide a 10a+b" se concluye que a divide a b. Y de  "b divide a 10a+b" se concluye que b divide a 10a. (a divide a b porque a divide a 10a+b y b divide a 10a porque b divide a 10a+b). De aquí que $ 10a $ es múltiplo de $ b $ y $ b $ es múltiplo de $ a $ (en símbolos: a|b|10a).

Simbólicamente, esto se expresa como $ b=ra, 10a+b=sb. $  Sustituyendo la primera en la segunda se obtiene: $ 10a+rb=sra $, o $ 10=r(s-1) $. Y surgen los siguientes casos: $ r=1,s=9; r=2,s=6; r=5,s=1 $. (Se descarta $ r=10, s=0 $ por razones obvias.) En resumen, se tienen tres casos:  $ a=b, 2a=b, 5a=b. $

Caso 1: Si $ a=b $ entonces $ n=101(11a) $ y el producto de sus cifras es $ a^4 $, el cual es un factor de $ n^2=101^2(11)^2(a^2) $. De aquí que $ a|11 $, y la única posibilidad des que a=1. (Con la solución 1111.)
Caso 2: Si b=2a entonces n=101(12a) y el producto de sus cifras es $ 4a^4 $, el cual es un factor de $ n^2=101^2(12)^2a^2. $  De aquí que $ a^2 $ divide a $ 36 $, es decir, $ a $ divide a 6. Entonces $ a $ es 1,2,3, o 6, y los valores correspondientes de $ b $ son 2,4,6 (el 12 no es dígito). Las soluciones correspondientes son: 1212,2424,3636.
Caso3: Si b=5a entonces n=101(15a) y el producto de sus cifras es $ 25a^4 $. Se sigue que $ a $ divide a 3. Así, $ a=1 $ o $ a=3 $ (y $ b=5,b=15 $). La única solución en este caso es 1515.

En resumen, los números buscados son 111, 1212,2424,3636,1515.

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