Operan al primo... ¿resultó cuadrado? ¡perfecto!

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Encontrar todos los primos $p$ tales que $5^p+4p^4$ es cuadrado perfecto.

Ver también: 
Cuadrado perfecto



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 Supongamos que es un entero

 Supongamos que $n$ es un entero tal que

$\displaystyle 5^p + 4p^4 = n^2$,

despejando a $5^p$ tenemos

$\displaystyle 5^p = n^2 - 4p^4 = n^2 - (2p^2)^2 = (n - 2p^2) (n + 2p^2)$.

Analicemos a $n - 2p^2$ y a $n + 2p^2$. Primero, veamos qué pasa si alguno de ellos es igual a 1.

Si $n - 2p^2 = 1$ entonces $n + 2p^2 = 5^p$, y si a la segunda igualdad le restamos la primera obtenemos que

$\displaystyle 4p^2 = 5^p - 1$

y como $p$ es primo, tenemos que

$\displaystyle p | 5^p - 1$;

si $p = 5$ entonces $5 | 5^5 - 1$, lo cual es una contradicción; si $p \neq 5$ entonces $5^p$ deja residuo 5 al dividirlo por $p$ gracias al Pequeño Teorema de Fermat, así que $5^p - 1$ deja residuo 4 al dividirlo por $p$, así que la única posibilidad es que $p = 2$, pero al considerar a la expresíón original $5^p + 4p^4$ vemos que no obtenemos un cuadrado perfecto. Con esto concluímos que $n - 2p^2 \neq 1$.

Ahora, si $n + 2p^2 = 1$ entonces $n - 2p^2 = 5^p$, y si a la primera igualdad le restamos la segunda obtenemos que

$\displaystyle 4p^2 = 1 - 5^p$,

pero el primer miembro siempre es positivo mientras que el segundo siempre es negativo, así que llegamos a una contradicción.

Hemos demostrado que ni $n + 2p^2$  ni $n - 2p^2$ pueden ser 1, esto significa que ambos deben de ser múltiplos de 5, así que

$\displaystyle 5 | n + 2p^2$,
$\displaystyle 5 | n - 2p^2$

de donde obtenemos

$\displaystyle 5 | 4p^2$,
$\displaystyle 5 | p$

por lo tanto $p=5$. Al tomar la expresión original, tenemos que

$\displaystyle 5^5 + 4(5)^4 = 2500 = (50)^2$.

Así que la respuesta al problema es $p = 5$.

Imagen de jmd

Gracias Zzq. Es una buena

Gracias Zzq. Es una buena lección de cómo razonar un problema de números. Espero que la aprovechen los usuarios de MaTeTaM.

Te saluda