Question Number 194158 by Frix last updated on 28/Jun/23
$$\mathrm{Find}\:\mathrm{all}\:\mathrm{possible}\:\mathrm{solutions}: \\ $$$$\frac{\mathrm{1}}{{s}}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}+\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{With}\:{s},\:{t},\:{u},\:{v}\:\in\mathbb{N}\:\mathrm{and}\:{s}<{t}<{u}<{v} \\ $$
Answered by AST last updated on 29/Jun/23
$${s}<{t}\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{{s}}>\frac{\mathrm{1}}{{t}}\Rightarrow\frac{\mathrm{4}}{{s}}>\frac{\mathrm{1}}{{s}}+\frac{\mathrm{1}}{{t}}+\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\mathrm{1}\Rightarrow{s}<\mathrm{4} \\ $$$${s}=\mathrm{1}\:{gives}\:{absurd}\:{result},{so}\:{s}=\mathrm{2}\:{or}\:\mathrm{3} \\ $$$${when}\:{s}=\mathrm{2},\frac{\mathrm{1}}{{t}}+\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\Rightarrow\frac{\mathrm{3}}{{t}}>\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\Rightarrow{t}<\mathrm{6} \\ $$$${t}=\mathrm{1},\mathrm{2}\:{gives}\:{absurd}\:{results}..\:{So}\:{consider}\:\mathrm{3},\mathrm{4}\:{or}\:\mathrm{5} \\ $$$${t}=\mathrm{3}\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{6}}\Rightarrow{u}=\frac{\mathrm{6}\left({v}−\mathrm{6}\right)+\mathrm{36}}{{v}−\mathrm{6}}=\mathrm{6}+\frac{\mathrm{36}}{{v}−\mathrm{6}}<{v} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{6}{v}<{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{6}{v}\Rightarrow{v}^{\mathrm{2}} −\mathrm{12}{v}>\mathrm{0}\Rightarrow{v}>\mathrm{12} \\ $$$$\Rightarrow{v}−\mathrm{6}\mid\mathrm{36}\Rightarrow{v}=\mathrm{15},\mathrm{18},\mathrm{24},\mathrm{42}\left({since}\:{v}>\mathrm{12}\right) \\ $$$${For}\:{each}\:{of}\:{the}\:{values},{we}\:{get}\:{an}\:{integer}\:{value} \\ $$$${for}\:{u}=\mathrm{10},\mathrm{9},\mathrm{8},\mathrm{7}\:{consecutively} \\ $$$${Similarly},{we}\:{can}\:{get}\:{values}\:{for}\:{t}=\mathrm{4}\:{or}\:\mathrm{5} \\ $$$${t}=\mathrm{4}\Rightarrow\frac{\mathrm{2}}{{u}}>\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}\Rightarrow{u}<\mathrm{8}..{Checking}\:{for}\:\mathrm{5},\mathrm{6},\mathrm{7} \\ $$$${we}\:{get}\:{u},{v}=\left(\mathrm{5},\mathrm{20}\right);\left(\mathrm{6},\mathrm{12}\right) \\ $$$${t}=\mathrm{5}\Rightarrow\frac{\mathrm{2}}{{u}}>\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{10}}\Rightarrow{u}<\frac{\mathrm{20}}{\mathrm{3}}\Rightarrow{u}=\mathrm{6}\:{gives}\:{v}=\frac{\mathrm{15}}{\mathrm{2}}\notin\mathbb{N} \\ $$$${So},{consider}\:{s}=\mathrm{3};{we}\:{get}\:\frac{\mathrm{1}}{{t}}+\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}} \\ $$$$\frac{\mathrm{3}}{{t}}>\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{3}}\Rightarrow{t}<\mathrm{4}.\mathrm{5}\Rightarrow{t}=\mathrm{4}\Rightarrow\frac{\mathrm{1}}{{u}}+\frac{\mathrm{1}}{{v}}=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{12}} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}}{{u}}>\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{12}}\Rightarrow{u}<\mathrm{4}.\mathrm{8}\Rightarrow{no}\:{solution}\:{since}\:{u}>{t}=\mathrm{4} \\ $$$${s}=\mathrm{2}\Rightarrow{t}=\mathrm{3}\Rightarrow\left({u},{v}\right)=\left(\mathrm{10},\mathrm{15}\right),\left(\mathrm{9},\mathrm{18}\right),\left(\mathrm{8},\mathrm{24}\right),\left(\mathrm{7},\mathrm{42}\right) \\ $$$${s}=\mathrm{2}\Rightarrow{t}=\mathrm{4}\Rightarrow\left({u},{v}\right)=\left(\mathrm{5},\mathrm{20}\right);\left(\mathrm{6},\mathrm{12}\right) \\ $$
Commented by Frix last updated on 29/Jun/23