المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
الاقليم المناخي الموسمي
2024-11-02
اقليم المناخ المتوسطي (مناخ البحر المتوسط)
2024-11-02
اقليم المناخ الصحراوي
2024-11-02
اقليم المناخ السوداني
2024-11-02
غزوة الحديبية والهدنة بين النبي وقريش
2024-11-01
بعد الحديبية افتروا على النبي « صلى الله عليه وآله » أنه سحر
2024-11-01


Multigrade Equation  
  
857   07:07 صباحاً   date: 3-6-2020
Author : Chernick, J.
Book or Source : "Ideal Solutions of the Tarry-Escott Problem." Amer. Math. Monthly 44
Page and Part : ...


Read More
Date: 17-11-2020 955
Date: 9-9-2020 592
Date: 22-10-2019 712

Multigrade Equation

(k,l)-multigrade equation is a Diophantine equation of the form

 sum_(i=1)^ln_i^j=sum_(i=1)^lm_i^j

(1)

for j=1, ..., k, where m and n are l-vectors. Multigrade identities remain valid if a constant is added to each element of m and n (Madachy 1979), so multigrades can always be put in a form where the minimum component of one of the vectors is 1.

Moessner and Gloden (1944) give a bevy of multigrade equations. Small-order examples are the (2, 3)-multigrade with m={1,6,8} and n={2,4,9}:

sum_(i=1)^(3)m_i^1 = sum_(i=1)^(3)n_i^1=15

(2)

sum_(i=1)^(3)m_i^2 = sum_(i=1)^(3)n_i^2=101,

(3)

the (3, 4)-multigrade with m={1,5,8,12} and n={2,3,10,11}:

sum_(i=1)^(4)m_i^1 = sum_(i=1)^(4)n_i^1=26

(4)

sum_(i=1)^(4)m_i^2 = sum_(i=1)^(4)n_i^2=234

(5)

sum_(i=1)^(4)m_i^3 = sum_(i=1)^(4)n_i^3=2366,

(6)

and the (4, 6)-multigrade with m={1,5,8,12,18,19} and n={2,3,9,13,16,20}:

sum_(i=1)^(6)m_i^1 = sum_(i=1)^(6)n_i^1=63

(7)

sum_(i=1)^(6)m_i^2 = sum_(i=1)^(6)n_i^2=919

(8)

sum_(i=1)^(6)m_i^3 = sum_(i=1)^(6)n_i^3=15057

(9)

sum_(i=1)^(6)m_i^4 = sum_(i=1)^(6)n_i^4=260755

(10)

(Madachy 1979).

A spectacular example with k=9 and l=10 is given by n={+/-12,+/-11881,+/-20231,+/-20885,+/-23738} and m={+/-436,+/-11857,+/-20449,+/-20667,+/-23750} (Guy 1994), which has sums

sum_(i=1)^(9)m_i^1 = sum_(i=1)^(9)n_i^1=0

(11)

sum_(i=1)^(9)m_i^2 = sum_(i=1)^(9)n_i^2=3100255070

(12)

sum_(i=1)^(9)m_i^3 = sum_(i=1)^(9)n_i^3=0

(13)

sum_(i=1)^(9)m_i^4 = sum_(i=1)^(9)n_i^4=1390452894778220678

(14)

sum_(i=1)^(9)m_i^5 = sum_(i=1)^(9)n_i^5=0

(15)

sum_(i=1)^(9)m_i^6 = sum_(i=1)^(9)n_i^6=666573454337853049941719510

(16)

sum_(i=1)^(9)m_i^7 = sum_(i=1)^(9)n_i^7=0

(17)

sum_(i=1)^(9)m_i^8 = sum_(i=1)^(9)n_i^8=330958142560259813821203262692838598

(18)

sum_(i=1)^(9)m_i^9 = sum_(i=1)^(9)n_i^9=0.

(19)

Rivera considers multigrade equations involving primes, consecutive primes, etc.

Analogous multigrade identities to Ramanujan's fourth power identity of form

 a_1^4+a_2^4+a_3^4=2a_4^m

(20)

can also be given for third and fifth powers, the former being

 (a^2+ab)^r+(a^2-ab)^r+(b^2+ab)^r+(b^2-ab)^r=2(p^2+q^2)^(kr)

(21)

with r=1, 2, 3, for any positive integer k, and where

a = 1/2[(p-qi)^k+(p+qi)^k]

(22)

b = 1/2i[(p-qi)^k-(p+qi)^k]

(23)

and the one for fifth powers

 [(a+c)^n+(b+c)^n+(a+b+c)^n+(-a-b+c)^n+(-b+c)^n+(-a+c)^n](2/3)^n=2(p^2+pq+q^2)^(hn)

(24)

for n=1, 3, 5, any positive integer h, and where

a = (omega(p-qomega)^(2h)-(p-qomega^2)^(2h))/(omega-1)

(25)

b = ((p-qomega)^(2h)-(p-qomega^2)^(2h))/(omega(omega-1))

(26)

c = 1/2(p^2+pq+q^2)^h

(27)

with omega a complex cube root of unity and a and b for both cases rational for arbitrary rationals p and q.

Multigrade sum-product identities as binary quadratic forms also exist for third, fourth, fifth powers. These are the second of the following pairs.

For third powers with k.4.4,

 (ax+v_1y)^k+(bx-v_1y)^k+(cx-v_2y)^k+(dx+v_2y)^k 
=(ax-v_1y)^k+(bx+v_1y)^k+(cx+v_2y)^k+(dx-v_2y)^k 
(ax^2-v_1xy+bwy^2)^k+(bx^2+v_1xy+awy^2)^k+(cx^2+v_2xy+dwy^2)^k+(dx^2-v_2xy+cwy^2)^k 
=(a^k+b^k+c^k+d^k)(x^2+wy^2)^k

(28)

for k=1, 3, (v_1,v_2)=(c^2-d^2,a^2-b^2), and w=(a+b) or (c+d) for arbitrary abcdx, and y.

For fourth powers with k.3.3,

 (ax+v_1y)^k+(bx-v_2y)^k+(cx-v_3y)^k 
=(ax-v_1y)^k+(bx+v_2y)^k+(cx+v_3y)^k 
+(ax^2+2v_1xy-3ay^2)^k+(bx^2-2v_2xy-3by^2)^k+(cx^2-2v_3xy-3cy^2)^k=(a^k+b^k+c^k)(x^2+3y^2)^k

(29)

for k=2, 4, (v_1,v_2,v_3,c)=(a+2b,2a+b,a-b,a+b), for arbitrary abxy.

For fifth powers with k.6.6,

 (a_1x+v_1y)^k+(a_2x-v_2y)^k+(a_3x+v_3y)^k+(a_4x-v_3y)^k+(a_5x+v_2y)^k+(a_6x-v_1y)^k 
=(a_1x-v_1y)^k+(a_2x+v_2y)^k+(a_3x-v_3y)^k+(a_4x+v_3y)^k+(a_5x-v_2y)^k+(a_6x+v_1y)^k 
=(a_1x^2+2v_1xy+3a_6y^2)^k+(a_2x^2-2v_2xy+3a_5y^2)^k+(a_3x^2+2v_3xy+3a_4y^2)^k+(a_4x^2-2v_3xy+3a_3y^2)^k+(a_5x^2+2v_2xy+3a_2y^2)^k+(a_6x^2-2v_1xy+3a_1y^2)^k 
=(a_1^k+a_2^k+a_3^k+a_4^k+a_5^k+a_6^k)(x^2+3y^2)^k

(30)

for k=1, 2, 3, 4, 5, (a_1,a_2,a_3,a_4,a_5,a_6)=(a+c,b+c,-a-b+c,a+b+c,-b+c,-a+c)(v_1,v_2,v_3)=(a+2b,2a+b,a-b) (which are the same v_i for fourth powers) for arbitrary abcxy and one for seventh powers that uses sqrt(2).

For seventh powers with k.8.8,

 (a_1x+v_1y)^k+(a_2x+v_2y)^k+(a_3x+v_3y)^k+(a_4x+v_4y)^k 
+(a_5x-v_4y)^k+(a_6x-v_3y)^k+(a_7x-v_2y)^k+(a_8x-v_1y)^k 
=(a_1x-v_1y)^k+(a_2x-v_2y)^k +(a_3x-v_3y)^k+(a_4x-v_4y)^k 
+(a_5x+v_4y)^k+(a_6x+v_3y)^k+(a_7x+v_2y)^k+(a_8x+v_1y)^k 
+(a_1x^2+v_1xy+a_8y^2)^k+(a_2x^2+v_2xy+a_7y^2)^k 
+(a_3x^2+v_3xy+a_6y^2)^k+(a_4x^2+v_4xy+a_5y^2)^k 
+(a_5x^2-v_4xy+a_4y^2)^k+(a_6x^2-v_3xy+a_3y^2)^k 
+(a_7x^2-v_2xy+a_2y^2)^k+(a_8x^2-v_1xy+a_1y^2)^k 
=(a_1^k+a_2^k+a_3^k+a_4^k+a_5^k+a_6^k+a_7^k+a_8^k)(x^2+y^2)^k

(31)

for k=1 to 7, (a_1,a_2,a_3,a_4,a_5,a_6,a_7,a_8)=(sqrt(2)a+c,sqrt(2)b+c,-a+b+c,-a-b+c,a+b+c,a-b+c,-sqrt(2)b+c,-sqrt(2)+c)(v_1,v_2,v_3,v_4)=(2sqrt(2)b,-2sqrt(2)a,-2(a+b),2(a-b)), for arbitrary, abcxy (Piezas 2006).

A multigrade 5-parameter binary quadratic form identity exists for k.4.4 with k=1, 2, 3, 5. Given arbitrary variables abcxy and defining u=a^2-b^2 and v=b^2-c^2, then

 [(-a+b+c)x^2+2(cu-bv)xy-(a+b+c)uvy^2]^k+[(a-b+c)x^2+2(cu+bv)xy+(a+b-c)uvy^2]^k+[(a+b-c)x^2+2(-cu-bv)xy+(a-b+c)uvy^2]^k+[-(a+b+c)x^2+2(-cu+bv)xy+(-a+b+c)uvy^2]^k-[-(a+b+c)x^2+2(-bu+av)xy+(a+b-c)uvy^2]^k-[(a+b-c)x^2+2(bu-av)xy-(a+b+c)uvy^2]^k-[(a-b+c)x^2+2(-bu-av)xy+(-a+b+c)uvy^2]^k-[(-a+b+c)x^2+2(bu+av)xy+(a-b+c)uvy^2]^k=0

(32)

for k=1, 2, 3, 5 (T. Piezas, pers. comm., Apr. 27, 2006).

Chernick (1937) gave a multigrade binary quadratic form parametrization to k.4.4 for k=2, 4, 6 given by

 (5m^2+9mn+10n^2)^k+(m^2-13mn-6n^2)^k+(7m^2-5mn-8n^2)^k+(9m^2+7mn-4n^2)^k 
=(9m^2+5mn+4n^2)^k+(m^2+15mn+8n^2)^k+(5m^2-7mn-10n^2)^k+(7m^2+5mn-6n^2)^k,

(33)

an equation which depends on finding solutions to 4a^2+ab+b^2=7c^2.

Sinha (1966ab) gave a multigrade binary quadratic form parametrization to k.5.5 for k=1, 3, 5, 7 given by

 (-7m^2+62mn-30n^2)^k+(7m^2+38mn-50n^2)^k+(5m^2-8mn-22n^2)^k+(19m^2-32mn-42n^2)^k+(-19m^2+36mn-62n^2)^k 
=(-9m^2+66mn-42n^2)^k+(5m^2+42mn-62n^2)^k+(-21m^2+38mn-22n^2)^k+(9m^2-14mn-50n^2)^k+(21m^2-36mn-30n^2)^k

(34)

which depended on solving the system a_1^j+a_2^j+a_3^j=b_1^j+b_2^j+b_3^j for j=2 and 4 with a_i and b_i satisfying certain other conditions.

Sinha (1966ab), using a result of Letac, also gave a multigrade parametrization to k.5.5 for k=1, 2, 4, 6, 8 given by

 (a-r)^k+(a+r)^k+(3b-t)^k+(3b+t)^k+(4a)^k 
=(b-t)^k+(b+t)^k+(3a-r)^k+(3a+r)^k+(4b)^k,

(35)

where a^2+12b^2=r^2 and 12a^2+b^2=t^2. One nontrivial solution can be given by a=109b=11869/2, and Sinha and Smyth proved in 1990 that there are an infinite number of distinct nontrivial solutions.

 


 

REFERENCES:

Chernick, J. "Ideal Solutions of the Tarry-Escott Problem." Amer. Math. Monthly 44, 62600633, 1937.

Gloden, A. Mehrgeradige Gleichungen. Groningen, Netherlands: Noordhoff, 1944.

Gloden, A. "Sur la multigrade A_1A_2A_3A_4A_5=^kB_1B_2B_3B_4B_5 (k=1, 3, 5, 7)." Revista Euclides 8, 383-384, 1948.

Guy, R. K. Unsolved Problems in Number Theory, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, p. 143, 1994.

Kraitchik, M. "Multigrade." §3.10 in Mathematical Recreations. New York: W. W. Norton, p. 79, 1942.

Madachy, J. S. Madachy's Mathematical Recreations. New York: Dover, pp. 171-173, 1979.

Moessner, A. and Gloden, A. "Einige Zahlentheoretische Untersuchungen und Resultate." Bull. Sci. École Polytech. de Timisoara 11, 196-219, 1944.

Piezas, T. "Ramanujan and Fifth Power Identities." https://www.geocities.com/titus_piezas/Ramfifth.html.

Piezas, T. "Binary Quadratic Forms as Equal Sums of Like Powers." https://www.geocities.com/titus_piezas/Binary_quad.html.

Rivera, C. "Problems & Puzzles: Puzzle 065-Multigrade Relations." https://www.primepuzzles.net/puzzles/puzz_065.htm.

Sinha, T. "On the Tarry-Escott Problem." Amer. Math. Monthly 73, 280-285, 1966a.

Sinha, T. "Some System of Diophantine Equations of the Tarry-Escott Type." J. Indian Math. Soc. 30, 15-25, 1966b.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.