Man finde ein $a\in\{0,\ldots,108\}$, das sie erfüllt.
Wir lassen den Zusatz $\pmod{109}$ im Folgenden weg.
Dem auf der Matheplanet-Seite zu findenden Hinweis $121=109+12$ entnehmen wir die Gleichung \[ 11^2 \equiv 2^2\cdot 3\quad. \] Das sieht einigermaßen vielversprechend aus: auf der rechten Seite stört noch der Faktor $2^2$. Es ist $109$ eine Primzahl; also ist $(\Z / 109\Z,\ \cdot)$ eine Gruppe und damit jedes $x\in\{1,\ldots,108\}$ multiplikativ invertierbar. Wir bekommen ihn weg, indem wir beide Seiten der Gleichung mit dem multiplikativen Inversen von $2$ (ja, genau, von $2$, nicht von $4=2^2$) multiplizieren, denn es gilt $(2^2)^{-1} = (2^{-1})^2$. Also können wir wie folgt fortfahren: \[ \begin{array}{rrcl} & 11^2 &\equiv& 2^2\cdot 3\\ \iff& 11^2\cdot\left(2^2\right)^{-1} &\equiv& 3\\ \iff& 11^2\cdot\left(2^{-1}\right)^2 &\equiv& 3\\ \iff& \left(11\cdot2^{-1}\right)^2 &\equiv& 3\\ \iff& \left(11\cdot55\right)^2 &\equiv& 3\\ \iff& 605^2 &\equiv& 3\\ \iff& \left(5\cdot109+60\right)^2 &\equiv& 3\\ \iff& 60^2 &\equiv& 3\\ \end{array} \] Also ist $a=60$ eine Lösung.
Stimmt's denn auch? Ja:
\[ 60^2 \equiv 3600 \equiv 33\cdot 109+3 \equiv 3 \pmod{109}\quad. \] Damit ist
Es wäre wohl machbar, wenn man einen Hinweis ähnlich wie oben gegeben hätte... Oder man lässt die Theorie der Pellschen Gleichungen (Skript S. 89) darauf los.
Wie bekommt man einen Hinweis ähnlich dem oben gegebenen? Durch Ausprobieren :)
#!/bin/bash
for ((q=0; q < 500; q++)); do
for ((r=0; r < 500; r++)); do
t=$((q*q-3*r*r))
((t == 109)) && printf "q = %d, r = %d\n" "$q" "$r"
done
done
Die Ausgabe dieses Codes lautet
q = 11, r = 2 q = 16, r = 7 q = 28, r = 15 q = 53, r = 30 q = 101, r = 58 q = 196, r = 113 q = 376, r = 217
Die Werte
q = 11, r = 2
entsprechen dem gegebenen Hinweis.Also versuchen wir die Werte
q = 16, r = 7
.
Indem wir mit ihnen die gleiche Rechnung durchführen wie oben, erhalten wir
\[
\begin{array}{rrcl}
& 16^2 &\equiv& 7^2\cdot 3\\
\iff& 16^2\cdot\left(7^2\right)^{-1} &\equiv& 3\\
\iff& 16^2\cdot\left(7^{-1}\right)^2 &\equiv& 3\\
\iff& \left(16\cdot7^{-1}\right)^2 &\equiv& 3\\
\iff& \left(16\cdot78\right)^2 &\equiv& 3\\
\iff& 1248^2 &\equiv& 3\\
\iff& \left(11\cdot109+49\right)^2 &\equiv& 3\\
\iff& 49^2 &\equiv& 3\\
\end{array}
\]
Also ist $a=49$ tatsächlich eine Lösung.
Stimmt's denn auch? Ja:\[ 49^2 \equiv 2401 \equiv 22\cdot 109+3 \equiv 3 \pmod{109}\quad. \] Die analoge Rechnung mit weiteren Werten für
q
und r
durchzuführen, sei dem Leser als Übung überlassen.
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