Olimpiadas de Matemáticas
Página de preparación y problemas

Solución. Vamos a comenzar analizando tres casos particulares:

• Supongamos primero que los tres primos son iguales, luego \[\frac{p^3+q^3+r^3-(pq+qr+rp)(p+q+r)}{pqr}=-6.\] Por tanto, cualquier terna de primos iguales es solución el problema.
• Supongamos ahora que dos de los primos son iguales, pongamos $p=q$ sin perder generalidad. Tras simplificar, nos queda \[\frac{p^3+q^3+r^3-(pq+qr+rp)(p+q+r)}{pqr}=\frac{r(r-2p)}{p^2}-5.\] Para que este número sea entero, se debe cumplir que $p$ divida a $r$ o bien a $r-2p$. En cualquier caso, $p$ debe dividir a $r$, luego $p=r$ por ser ambos primos. Esto nos dice que si dos de los primos son iguales, entonces lo son los tres.
• Supongamos ahora que un primo es suma de los otros dos, pongamos $p=q+r$ sin perder generalidad. Por tanto, uno de ellos tiene que ser par y, salvo reordenarlos, tendremos que $p=q+2$ y $r=2$. Comprobamos fácilmente que, para tal elección de primos, se tiene que \[\frac{p^3+q^3+r^3-(pq+qr+rp)(p+q+r)}{pqr}=-5,\] luego tenemos todas las soluciones de la forma $(q+2,q,2)$ con $q$ y $q+2$ primos gemelos, así como sus posibles reordenaciones.

Resueltos estos casos, supondremos en lo que sigue que los tres primos son distintos y que ninguno es suma de los otros dos. Podemos agrupar todos los términos en los que sea posible sacar factor común $p$ y factorizar el resto de términos de la siguiente forma: \begin{align*} p^3+q^3+&r^3-(pq+qr+rp)(p+q+r)\\ &=p(p^2-pq-rp-q^2-3qr-r^2)+q^3+r^3-qr(q+r) \\ &=p(p^2-pq-rp-q^2-3qr-r^2)+(q+r)(q-r)^2. \end{align*} Si este número es divisible entre $p$, también ha de serlo $(q+r)(q-r)^2$, de donde obtenemos que $p$ divide a $q+r$ o a $q-r$. De la misma forma, se tiene que $q$ divide a $r+p$ o a $r-p$ y que $r$ divide a $p+q$ o a $p-q$. En otras palabras, cada primo divide a la suma o a la diferencia de los otros dos. Para encontrar las soluciones, vamos a usar la siguiente acotación básica:

$(\star)$ Si $x,y\in\mathbb{Z}$ verifican $x\mid y$, entonces $|x|\leq|y|$ o bien $y=0$.

Salvo reordenar los primos, tenemos cuatro posibilidades:

• Si $p\mid (q+r)$, $q\mid (r+p)$ y $r\mid (p+q)$, entonces claramente $pqr\mid (p+q+r)$, luego podemos acotar $pqr\leq p+q+r\leq 3\max\{p,q,r\}$. Esto nos dice que dos de los primos tienen que tener producto menor o igual que $3$, lo cual es imposible.
• Si $p\mid (q+r)$, $q\mid (r+p)$ y $r\mid (p-q)$, entonces podemos razonar de forma parecida al caso anterior. Teniendo en cuenta que $p-q+r\neq 0$ y $-p+q+r\neq 0$, podemos usar ($\star$) y la desigualdad triangular para obtener \begin{align*} pq|(p+q+r)&\Rightarrow pq\leq p+q+r\leq 3\max\{p,q,r\},\\ qr|(p-q+r)&\Rightarrow qr\leq |p-q+r|\leq |p|+|q|+|r|\leq 3\max\{p,q,r\},\\ pr|(-p+q+r)&\Rightarrow pr\leq |-p+q+r|\leq |p|+|q|+|r|\leq 3\max\{p,q,r\}. \end{align*} Esto nos dice que debe haber dos primos menores o iguales que $3$, es decir, uno de ellos tiene que ser $2$ y otro $3$. Sustituyendo sin perder generalidad $p=2$ y $q=3$ en la expresión original, se tiene \[\frac{p^3+q^3+r^3-(pq+qr+rp)(p+q+r)}{pqr}=\frac{r^3-5 r^2-31 r+5}{6 r}.\] Para que este último sea un número entero, tiene que ser $r=5$, luego obtenemos la solución $(p,q,r)=(2,3,5)$ y todas sus posibles reordenaciones.
• Si $p\mid (q+r)$, $q\mid (r-p)$ y $r\mid (p-q)$, siguiendo la misma línea argumental anterior, como quiera que $p\neq q+r$, tenemos que \[pqr\mid (-p+q+r)\Rightarrow pqr\leq |-p+q+r|\leq p+q+r\leq 3\max\{p,q,r\},\] lo que de nuevo nos da que dos de los tres primos tiene producto menor o igual que $3$ y, por tanto, este caso no es posible.
• Finalmente, supongamos que $p\mid (q-r)$, $q\mid (r-p)$ y $r\mid (p-q)$, luego \begin{align*} pq|(p+q-r)&\Rightarrow pq\leq |-p+q+r|\leq 3\max\{p,q,r\},\\ qr|(-p+q+r)&\Rightarrow qr\leq |-p+q+r|\leq 3\max\{p,q,r\},\\ pr|(p-q+r)&\Rightarrow pr\leq |p-q+r|\leq 3\max\{p,q,r\}. \end{align*} Esto nos dice que debe haber dos primos menores o iguales que $3$, es decir, uno de ellos tiene que ser $2$ y otro $3$, luego el tercero ha de ser $5$.

Resumiendo todos los casos anteriores, tenemos las soluciones de la forma $(p,p,p)$ y las de la forma $(2,p,p+2)$, salvo reordenaciones, siendo $p$ y $p+2$ primos gemelos.

Solución. Esta es una solución aportada por el profesor Samuel G. Moreno.

Sin pérdida de generalidad, supondremos que $p\leq q\leq r$. Si suponemos que la expresión del enunciado es igual a $\lambda pqr$ para cierto entero $\lambda$, esta relación se puede reescribir como \[(p+q+r)((q+r-p)^2-4qr)=(\lambda-3)pqr,\] de donde $qr$ divide a $(p+q+r)(q+r-p)^2=(q^2-p^2+r^2+2qr)(q-p+r)$, pero (al ser $q$ y $r$ primos) esto se traduce en que $r$ divide a $q+p$ o a $q-p$ y, además, que $q$ divide a $r-p$ o a $r+p$. Si fuese $q=p$, entonces la condición anterior se traduciría en que $qr$ dividiría a $(r^2+2qr)r$, lo que implicaría que $q$ dividiría a $r$, lo que sólo es posible si $r=q$. Esto nos da la primera solución \[(p,q,r)=(p,p,p)\qquad\text{para cualquier primo }p.\]

Además, si $p\lt q$, de modo que $1\leq q-p\lt r$, entonces no sería posible que $r$ divida a $q-p$. Surgen, por tanto, dos casos:

• Caso $r\mid q+p$ y $q\mid r-p$ (siendo $p\lt q$). En este caso, existen enteros $m_1\gt 0$ y $m_2\geq 0$ tales que $p+q=m_1r$ y $r-p=m_2q$, de donde $(m_1-1)r=(1-m_2)q$.
  • Si $m_1=1$, entonces $m_2=1$. Como $p+q=m_1r=r$, al ser $r\gt p$, debe ser $r$ impar. No es posible que sea $p\geq 3$ ya que $q$ y $r$ serían ambos impares, de modo que $p=r-q$ sería un primo par y mayor o igual que $3$. Por tanto, debe ser $p=2$, lo que lleva a que $r=p+q=q+2$, que da la solución \[(p,q,r)=(2,q,q+2)\qquad\text{ siendo }q\text{ y }q+2\text{ primos gemelos.}\]
  • Si $m_1\gt 1$, sólo es posible que sea $m_2=0$ (ya que si $m_2\geq 1$, entonces $(1-m_2)q\leq 0$). Entonces, como $r-p=m_2q=0$, debemos tener $r=p$, que da $p=q$ (al ser $p\leq q\leq r$), contradiciendo una de las hipótesis de este caso.
• Caso $r\mid q+p$ y $q\mid r+p$ (siendo $p\lt q$). En este caso existen enteros $m_1,m_2\geq 1$ con $p+q=m_1r$ y $r+p=m_2q$, de donde $(m_1+1)r=(m_2+1)q$.
  • Si $m_1=m_2=1$, entonces $2r=2q$, pero esto lleva a $p=m_1r-q=r-r=0$, lo que no es admisible.
  • Si $m_1\gt 1$, entonces $(m_1+1)r=(m_2+1)q$ nos da dos subcasos.
    • Si $r=q$, entonces $p=m_1r-q=(m_1-1)q$, que solo es posible si $m_1=2$, en cuyo caso volvemos a obtener la solución con los tres primos iguales (si fuera $m_1\geq 3$, entonces $p=(m_1-1)q$ no puede ser primo).
    • Si $r\neq q$, entonces $(m_1+1)=m_3q$ y $m_2+1=m_4r$ para ciertos enteros $m_3,m_4\geq 1$, en cuyo caso $p=m_1r-q=-r-q+m_3qr$ y $p=m_2q-p=-r-q+m_4qr$, de donde $p+q+r=m_0qr$, siendo $m_0=m_3=m_4$. De $p+q+r=m_0qr=(m_1+1)r$ y teniendo en cuenta que $m_1+1\geq 3$, tendríamos que $\frac{p+q+r}{3}=\frac{m_1+1}{3}r\geq r$, pero esto no es posible ya que la media de tres números distintos debe localizarse estrictamente entre el mayor y el menor de ellos.
  • Queda por analizar el caso $m_1=1$ y $m_2\gt 1$. En tal caso, se verifica $(m_1+1)r=2r=(m_2+1)q$, pero al ser $2\leq p\lt q$, entonces $q$ no puede dividir a $2$, pero tampoco a $r$. Esto significa que esta alternativa no es posible.

Solución. Un cuadrado perfecto no puede terminar en $2$, lo que reduce considerablemente el número de posibles terminaciones. Además, como es par, las dos últimas cifras de $n^2$ deben formar un múltiplo de $4$, luego estas solo pueden ser $04$, $20$, $24$ o $40$, de las cuales podemos descartar $20$ y $40$ (ya que $n^2$ sería múltiplo de $10$ pero no de $100$). De aquí, obtenemos que las cuatro últimas cifras de $n^2$ solo pueden ser $2204$, $0224$ o $2024$. Podemos descartar $2024$ ya que en tal caso $n^2$ es múltiplo de $8$ pero no de $16$. También podemos descartar también $2204$, porque entonces $\frac{n^2}{4}$ sería un cuadrado que terminaría en $51$ luego la cifra de las unidades de $n$ sería $1$ o $9$. Sin embargo, $(10a+9)^2$ y $(10a+9)^2$ tienen la cifra de las decenas par para todo $a$ y esto nos dice que no hay cuadrados que terminen en $51$.

Para ver qué ocurre con $0224$, pongamos $n=100a+10b+c$, con $0\leq a,b,c\leq 9$ respectivamente. Podemos hacer la multiplicación siguiente: \[\begin{array}{ccccc} &&a&b&c\\ &\times&a&b&c\\\hline &&ac&bc&c^2\\ &ab&b^2&bc&\\ a^2&ab&ac&&\\\hline a^2&2ab&b^2\!+\!2ac&2bc&c^2 \end{array}\] y ahora ir cuadrando las cifras desde las unidades a las centenas. Esto es bastante rutinario, pero hay que tener cuidado de tener en cuenta las llevadas (no se han escrito en la multiplicación anterior ya que dependen de los valores concretos de $a,b,c$). En las unidades tenemos que $c^2\equiv 4\ (\text{mód } 10)$, con soluciones $c=2$ y $c=8$.

• Si $c=2$, entonces en las decenas tenemos que $6b\equiv 2\ (\text{mód }10)$, que tiene soluciones $b=3$ y $b=8$. Para que $10b+c$ sea múltiplo de $4$, tiene que ser $b=3$, luego las centenas cuadran cuando $4a\equiv 2\ (\text{mód }10)$, que tiene soluciones $a=3$ y $a=8$. Tenemos que $332^2=110224$ sí cumple la condición pero $832^2=692224$ no.
• Si $c=8$, entonces $6b\equiv 6\ (\text{mód }10)$, que tiene soluciones $b=1$ y $b=6$. Para que $10b+c$ sea múltiplo de $4$, tiene que ser $b=6$. Cuandrando las centenas, tenemos que $6a\equiv 6\ (\text{mód }10)$, que tiene soluciones $a=1$ y $a=6$. Sin embargo, las unidades de millar de $168^2=28224$ ni $668^2=446224$ no cuadran.

Hemos probado así que $n=332$ es la única solución al problema.

Solución. Hay que tener en cuenta que si una de las cifras del número es par es porque hay una llevada de la suma de las cifras de orden inmediatamente inferior. Vamos a analizar cada caso por separado:

• 6204773 es bonito (por ejemplo, tomando $s=3557931$ y $t=2646842$).
• 6372538 no es bonito puesto que la cifra de las unidades es par y no puede obtenerse como suma de un dígito par y otro impar (no hay llevadas).
• 7343053 no es bonito ya que después del cero de las centenas hay necesariamente una llevada, luego la siguiente cifra no puede ser impar y en este caso es un tres.
• 8993267 no es bonito ya que el 8 en las unidades de millón implica una llevada y por tanto las cifras de $t$ y $s$ en las centenas de millar deben sumar 19, lo que implica que ambas son 9 (más otra llevada de las decenas de millar). Esto impide que las cifras de $s$ sean todas pares.
• 9652393 es bonito (tomando $t=5371751$ y $s=4280642$).

Solución. Si escribimos $x^2-y^2=(x+y)(x-y)=n$, como $x$ e $y$ son enteros, existirá un divisor $d$ de $n$ tal que $x+y=d$ y $x-y=\frac{n}{d}$. Este sistema de ecuaciones con la suma y la diferencia se resuelve fácilmente dando lugar a \[x=\frac{d+\frac{n}{d}}{2},\qquad y=\frac{d-\frac{n}{d}}{2}.\] Obtenemos así que no vale cualquier divisor de $n$ sino que $d$ y $\frac{n}{d}$ deben tener la misma paridad (en caso contrario, el denominador $2$ en las soluciones anteriores no se puede eliminar) y además $d\gt\frac{n}{d}$ (en caso contrario tendríamos una solución con $y$ negativa). Llamemos $D(n)$ al número de divisores de $n$ y distingamos varios casos:

• Si $n$ es impar, entonces $d$ y $\frac{n}{d}$ son ambos impares. Si $n$ no es cuadrado perfecto, entonces la condición $d\lt\frac{n}{d}$ ocurrirá para la mitad de divisores, luego $\lambda(n)=\frac{1}{2}D(n)$. Si $n$ es un cuadrado perfecto, entonces hay que excluir el caso $d=\sqrt{n}$ antes de dejar la mitad de divisores, luego $\lambda(n)=\frac{1}{2}(D(n)-1)$.
• Si $n$ es par pero no múltiplo de $4$, entonces $d$ y $\frac{n}{d}$ tienen necesariamente distinta paridad, luego $\lambda(n)=0$.
• Si $n$ es múltiplo de $4$, entonces podemos asignar previamente uno de los factores $2$ a $d$ y otro a $\frac{n}{d}$ para que los dos sean pares y repartir los restantes entre $d$ y $\frac{n}{d}$. Razonando de forma análoga al primer caso, tenemos que $\lambda(n)=\frac{1}{2}D(\frac{n}{4})$ si $n$ es no es cuadrado perfecto y $\lambda(n)=\frac{1}{2}(D(\frac{n}{4})-1)$ si lo es.

Si factorizamos $n=p_1^{e_1}\cdots p_r^{e_r}$ como producto de potencias de primos distintos, es bien conocido que $D(n)=(e_1+1)(e_2+1)\cdots(e_r+1)$. Vamos a ver cuál es el menor valor de $n$ en cada uno de los cuatro casos que nos da la discusión anterior y luego analizaremos cuál es el menor y el menor impar.

• Si $n$ es impar y no es cuadrado, tenemos que resolver $D(n)=2\cdot 2021=2\cdot 43\cdot 47$, luego el menor valor posible es $n=3^{46}5^{42}7$ ya que $3,5,7$ son los primos más pequeños (impares) emparejados con los exponentes en orden opuesto.
• Si $n$ es impar y cuadrado, tenemos que resolver $D(n)=2\cdot 2021+1=4043=13\cdot 311$, luego el menor valor es $n=3^{310}5^{12}$.
• Si $n$ es par (múltiplo de $4$) y no es cuadrado, tenemos $D(\frac{n}{4})=2\cdot 2021=2\cdot 43\cdot 47$, luego el menor valor posible es $n=4\cdot 2^{46}3^{42}5=2^{48}3^{42}5$.
• Si $n$ es par (múltiplo de $4$) y cuadrado, tenemos $D(\frac{n}{4})=2\cdot 2021+1=4043=13\cdot 311$, luego el menor valor posible es $n=4\cdot 2^{310}3^{12}=2^{312}3^{12}$.

De entre los cuatro números elegidos, el menor es $2^{48}3^{42}5$ y el menor impar es $3^{46}5^{42}7$ (¿sabrías justificar rigurosamente por qué?).

Nota. Un punto técnico de esta solución es la factorización de 4043. No debería haber problema en preguntar a los examinadores por tal factorización; en caso de no darla, habría que probar a dividir $4043$ entre los primos desde $3$ a $61$ (que es el más cercano por defecto a $\sqrt{4043}$). Al encontrar así el factor $13$, habría que probar de nuevo desde $3$ a $17$ (que es el más cercano por defecto a $\sqrt{313}$).

Solución. Supongamos que $n\equiv 2\ (\text{mod }3)$ y $d$ es un divisor suyo. Como $d$ no puede ser múltiplo de $3$ (en tal caso, $n$ también lo sería), llegamos a que $d\equiv 1\ (\text{mod }3)$ o bien $d\equiv 2\ (\text{mod }3)$. Su divisor complementario $\frac{n}{d}$ tiene que cumplir $\frac{n}{d}\equiv 2\ (\text{mod }3)$ o bien $\frac{n}{d}\equiv 1\ (\text{mod }3)$, respectivamente, para que $d\cdot\frac{n}{d}=n\equiv 2\ (\text{mod }3)$. Por tanto, tenemos que $d+\frac{n}{2}\equiv 1+2\equiv 0\ (\text{mod }3)$.

De esta manera, en la suma de divisores, tras agrupar cada divisor con su complementario, tendremos una suma de múltiplos de $3$ y hemos resuelto el problema. Sin embargo, queda por ver que todos los divisores están emparejados, lo cual es cierto a no ser que $n$ sea un cuadrado perfecto (en cuyo caso $d=\sqrt{n}$ coincide con su complementario $\frac{n}{d}=\sqrt{n}$). Como todo cuadrado es congruente con $0$ o $1$ módulo $3$, este caso no se da nunca.