Question Number 61470 by Rasheed.Sindhi last updated on 03/Jun/19
$$\mathrm{Is}\:\mathrm{there}\:\mathrm{any}\:\mathrm{other}\:\mathrm{solution}\:\mathrm{besides} \\ $$$$\left\{\mathrm{x}=\mathrm{a},\mathrm{y}=\mathrm{b}\right\}\:\mathrm{or}\:\left\{\mathrm{x}=\mathrm{b},\mathrm{y}=\mathrm{a}\right\}\:\mathrm{of}\:\mathrm{the} \\ $$$$\mathrm{following}\:\mathrm{system}\:\mathrm{of}\:\mathrm{equations} \\ $$$$\:\:\:\:\mathrm{x}+\mathrm{y}=\mathrm{a}+\mathrm{b}\:\:\wedge\:\mathrm{x}^{\mathrm{7}} +\mathrm{y}^{\mathrm{7}} =\mathrm{a}^{\mathrm{7}} +\mathrm{b}^{\mathrm{7}} \:\:? \\ $$$$ \\ $$
Answered by MJS last updated on 03/Jun/19
$${x}+{y}={a}+{b}\:\Rightarrow\:{y}={a}+{b}−{x} \\ $$$${x}^{\mathrm{7}} +{y}^{\mathrm{7}} −{a}^{\mathrm{7}} −{b}^{\mathrm{7}} =\mathrm{0} \\ $$$$\:\:\:\:\:\mathrm{with}\:{y}={a}+{b}−{x}\:\mathrm{leads}\:\mathrm{to} \\ $$$${x}^{\mathrm{6}} −\mathrm{3}\left({a}+{b}\right){x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{3}} {x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{4}} {x}^{\mathrm{2}} −\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{5}} {x}+{ab}\left({a}^{\mathrm{2}} +{ab}+{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} =\mathrm{0} \\ $$$${x}={r}+\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}} \\ $$$${r}^{\mathrm{6}} +\frac{\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}{r}^{\mathrm{4}} +\frac{\mathrm{3}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{4}} }{\mathrm{16}}{r}^{\mathrm{2}} −\frac{\left({a}−{b}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{9}{a}^{\mathrm{4}} +\mathrm{8}{a}^{\mathrm{3}} {b}+\mathrm{14}{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{8}{ab}^{\mathrm{3}} +\mathrm{9}{b}^{\mathrm{4}} \right)}{\mathrm{64}}=\mathrm{0} \\ $$$${r}=\pm\sqrt{{s}} \\ $$$${s}={t}−\frac{\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{2}} }{\mathrm{12}} \\ $$$${t}^{\mathrm{3}} −\frac{\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{4}} }{\mathrm{3}}{t}−\frac{\left(\mathrm{2}{a}^{\mathrm{2}} +{ab}+\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} \right)\left({a}^{\mathrm{4}} −\mathrm{8}{a}^{\mathrm{3}} {b}−\mathrm{9}{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{8}{ab}^{\mathrm{3}} +{b}^{\mathrm{4}} \right)}{\mathrm{27}}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{always}\:\mathrm{exactly}\:\mathrm{solve}\:\mathrm{this}\:\mathrm{in}\:\mathbb{C} \\ $$$$\mathrm{depending}\:\mathrm{on}\:\mathrm{the}\:\mathrm{values}\:\mathrm{of}\:{a}\:\mathrm{and}\:{b}\:\mathrm{we}\:\mathrm{need} \\ $$$$\mathrm{Cardano}'\mathrm{s}\:\mathrm{or}\:\mathrm{the}\:\mathrm{trigonometric}\:\mathrm{formula} \\ $$
Commented by Rasheed.Sindhi last updated on 03/Jun/19
$$\mathrm{Sir}\:\:\mathrm{how}\:\mathrm{many}\:\mathrm{real}\:\mathrm{solutions}\:\mathrm{if}\:\mathrm{a},\mathrm{b}\in\mathbb{R}? \\ $$
Commented by MJS last updated on 03/Jun/19
$$\mathrm{it}\:\mathrm{seems}\:\mathrm{we}\:\mathrm{always}\:\mathrm{get}\:\mathrm{2}\:\mathrm{real}\:\mathrm{solutions}\:{a},\:{b} \\ $$$$\mathrm{and}\:\mathrm{4}\:\mathrm{complex}\:\mathrm{solutions}\:\mathrm{if}\:{a},\:{b}\:\in\mathbb{R}\:\wedge\:{a}\neq\mathrm{0}\vee{b}\neq\mathrm{0} \\ $$
Commented by Rasheed.Sindhi last updated on 03/Jun/19
$$\mathcal{T}{h}\alpha{nk}\mathcal{S}\:{for}\:{an}\:\mathcal{X}{celent}\:{answer}! \\ $$
Commented by Rasheed.Sindhi last updated on 03/Jun/19
$$\boldsymbol{\mathrm{Sir}}\:\mathrm{can}\:\mathrm{we}\:\mathrm{prove}\:\mathrm{the}\:\mathrm{above}\:? \\ $$
Commented by MJS last updated on 03/Jun/19
$$\mathrm{of}\:\mathrm{course}\:\mathrm{it}'\mathrm{s}\:\mathrm{even}\:\mathrm{easier}! \\ $$$${x}^{\mathrm{6}} −\mathrm{3}\left({a}+{b}\right){x}^{\mathrm{5}} +\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{5}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{3}} {x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{4}} {x}^{\mathrm{2}} −\left({a}+{b}\right)^{\mathrm{5}} {x}+{ab}\left({a}^{\mathrm{2}} +{ab}+{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} =\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{this}\:\mathrm{must}\:\mathrm{be}\:\mathrm{true}\:\mathrm{for}\:{x}={a}\vee{x}={b} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$${x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2}\left({a}+{b}\right){x}^{\mathrm{3}} +\left(\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} −\left(\mathrm{2}{a}^{\mathrm{3}} +\mathrm{5}{a}^{\mathrm{2}} {b}+\mathrm{5}{ab}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{b}^{\mathrm{3}} \right){x}+\left({a}^{\mathrm{4}} +\mathrm{2}{a}^{\mathrm{3}} {b}+\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}^{\mathrm{3}} +{b}^{\mathrm{4}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$${x}={r}+\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}} \\ $$$${r}^{\mathrm{4}} +\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}{r}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{9}{a}^{\mathrm{4}} +\mathrm{8}{a}^{\mathrm{3}} {b}+\mathrm{14}{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{8}{ab}^{\mathrm{3}} +\mathrm{9}{b}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{16}}=\mathrm{0} \\ $$$${r}=\pm\sqrt{{s}} \\ $$$${s}={t}−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}} \\ $$$${t}=\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\:{s}=−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\:{r}=\pm\sqrt{−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}}} \\ $$$$\Rightarrow\:{x}=\frac{{a}+{b}}{\mathrm{2}}\pm\sqrt{−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}}} \\ $$
Commented by MJS last updated on 03/Jun/19
$$\mathrm{we}\:\mathrm{need}\:\mathrm{to}\:\mathrm{check}\:\mathrm{if}\:{s}\geqslant\mathrm{0}\:\mathrm{is}\:\mathrm{possible} \\ $$
Commented by MJS last updated on 03/Jun/19
$${a}\in\mathbb{R}\wedge{b}\in\mathbb{R}\:\Rightarrow\:{t}\in\mathbb{R} \\ $$
Commented by MJS last updated on 03/Jun/19
$${s}=−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}}\geqslant\:? \\ $$$$−\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\pm\frac{\sqrt{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}}{\mathrm{2}}=\mathrm{0} \\ $$$$\left(\frac{\mathrm{3}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}{ab}+\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}\right)^{\mathrm{2}} =\frac{{ab}\left(\mathrm{4}{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{5}{ab}+\mathrm{4}{b}^{\mathrm{2}} \right)}{\mathrm{4}} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$${a}^{\mathrm{4}} +\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{9}}{a}^{\mathrm{3}} {b}+\frac{\mathrm{14}}{\mathrm{9}}{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{9}}{ab}^{\mathrm{3}} +{b}^{\mathrm{4}} =\mathrm{0} \\ $$$$\left({a}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}−\sqrt{\mathrm{13}}\right)}{\mathrm{9}}{ab}+{b}^{\mathrm{2}} \right)\left({a}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{2}\left(\mathrm{2}+\sqrt{\mathrm{13}}\right)}{\mathrm{9}}{ab}+{b}^{\mathrm{2}} \right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{no}\:\mathrm{real}\:\mathrm{linear}\:\mathrm{factors}\:\Rightarrow\:\mathrm{no}\:\mathrm{change}\:\mathrm{of}\:\mathrm{sign}\left({s}\right) \\ $$$$\mathrm{for}\:{a},\:{b}\:\in\mathbb{R}\:\Rightarrow\:{s}<\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{x}\notin\mathbb{R}\:\mathrm{except}\:{x}={a}\vee{x}={b} \\ $$
Commented by Rasheed.Sindhi last updated on 03/Jun/19
$$\mathcal{T}{h}\alpha{nk}\mathcal{S}\:{a}\:{lot}\:{Sir}! \\ $$$$\mathrm{Actually}\:\mathrm{your}\:\mathrm{proof}\:\mathrm{is}\:\mathrm{required}\:\mathrm{to} \\ $$$$\mathrm{me}\:\mathrm{for}\:\mathrm{solving}\:\mathrm{Q}#\mathrm{61273}. \\ $$$$\mathrm{Thanks}\:\mathrm{again}\:\mathrm{sir}! \\ $$