Sea $a$ un entero positivo impar mayor que $17$ tal que $3a-2$ es un cuadrado perfecto. Demostrar que existen enteros positivos distintos $b$ y $c$ tales que $a+b$, $b+c$, $a+c$ y $a+b+c$ son cuatro cuadrados perfectos.
Solución. Escribamos $3a-2=m^2$ para cierto entero positivo $m$. De esta definición se deduce fácilmente que $m$ no es múltiplo de $3$ y, como $a$ es impar, se tiene también que $m$ es impar. En otras palabras, $m$ es congruente con $1$ ó con $5$ módulo $6$. El hecho de que $a\gt 17$ se traduce en que $m^2\gt 49$. Consideremos entonces los números
\[b=\frac{2(m^2-1)}{3},\qquad c=\frac{(m^2-25)(m^2-1)}{36}.\]
Es fácil probar que son enteros por ser $m$ congruente con $1$ ó con $5$ módulo $6$, y son positivos por ser $m\gt 49$. Además,
\[c-b=\frac{(m^2-25)(m^2-1)}{36}-\frac{24(m^2-1)}{36}=\frac{(m^2-49)(m^2-1)}{36}\gt 0,\]
lo que nos dice que $b\neq c$. Veamos finalmente que cumplen la propiedad sobre los cuadrados.
\begin{align*}
a+b&=\frac{m^2+2}{3}+\frac{2(m^2-1)}{3}=m^2,\\
b+c&=\frac{2(m^2-1)}{3}+\frac{(m^2-25)(m^2-1)}{36}=\left(\frac{m^2-1}{6}\right)^2,\\
a+c&=\frac{m^2+2}{3}+\frac{(m^2-25)(m^2-1)}{36}=\left(\frac{m^2-7}{6}\right)^2,\\
a+b+c&=\frac{m^2+2}{3}+\frac{2(m^2-1)}{3}+\frac{(m^2-25)(m^2-1)}{36}=\left(\frac{m^2+5}{6}\right)^2.
\end{align*}
Nota. Hemos escrito todos los resultados en función de $m^2$, aunque podríamos haberlo hecho en función de $a$ (el único motivo era que se vea de forma explícita que todas las sumas son cuadrados):
\[b=2a-2,\qquad c=\frac{(a-9)(a-1)}{4},\]
con lo que
\[
a+b=3a-2,\quad
b+c=\left(\frac{a-1}{2}\right)^2,\quad
a+c=\left(\frac{a-3}{2}\right)^2,\quad
a+b+c=\left(\frac{a+1}{2}\right)^2.
\]