.Problemão: Diferença entre quadrados

Problema
(Indicado a partir do 8º ano do E. F.)


Considere um número inteiro positivo de quatro algarismos que é um quadrado perfeito.
A partir desse número, constrói-se outro somando uma unidade ao seu algarismo das unidades, subtraindo uma unidade do algarismo das dezenas, somando uma unidade ao algarismo das centenas e subtraindo uma unidade do algarismo das unidades de milhar.
Se o número que se obtém também é um quadrado perfeito, encontrar o número original.
Quantos números satisfazem tais condições?

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Lembretes

Fatoração da diferença de dois quadrados:
[tex]\qquad \qquad \boxed{m^2-n^2=(m+n) \cdot (m-n)}[/tex], para todos [tex]m,n\in\mathbb{R}[/tex]

(Para aprender um pouco mais, clique AQUI.)

Na solução deste problema será necessário saber determinar os divisores positivos de um dado número natural. Se precisar relembrar esse assunto, acesse esta Sala.

Solução


Seja [tex]\boxed{abcd=a\cdot 10^3+b\cdot 10^2+c\cdot 10+d} \, [/tex] o número inicial. Como esse número é um quadrado perfeito, existe um inteiro positivo [tex]m[/tex] tal que

  • [tex]m^2=a\cdot 10^3+b\cdot 10^2+c\cdot 10+d.[/tex]

Pelas hipóteses do problema, o segundo número será

  • [tex]n^2=(a-1)\cdot 10^3+(b+1)\cdot 10^2+(c-1)\cdot 10+(d+1).[/tex]

Assim, note que:
[tex]\;\begin{align*}m^2-n^2&=\left[a\cdot 10^3+b\cdot 10^2+c\cdot 10+d\right]\\
&\quad -\left[(a-1)\cdot 10^3+(b+1)\cdot 10^2+(c-1)\cdot 10+(d+1)\right] \\
&= 10^3-10^2+10-1\\
&=909\\&=3^2\cdot 101.\end{align*}[/tex]

Como [tex]m^2-n^2=3^2\cdot 101[/tex], o Lembrete nos assegura que
[tex]\qquad(m+n)\cdot(m-n)=3^2\cdot 101[/tex],
e note, desde já, que [tex]101[/tex] é um número primo.
Observe que [tex]m+n[/tex] é um número natural e [tex]m-n[/tex] é com certeza um inteiro, mas pode ser natural ou um inteiro negativo. Porém, como o produto [tex](m+n)\cdot(m-n)[/tex] resulta em um número natural (positivo), [tex]m-n[/tex] também deve ser positivo. Assim, [tex]m+n[/tex] e [tex]m-n[/tex] são divisores positivos de [tex]3^2\cdot 101[/tex].
Sabemos que os divisores positivos de [tex]3^2\cdot 101[/tex] são [tex]1 \, , \, 3 \, , \, 9 \, , \, 101 \, , \, 303 \, , \, 909[/tex]; mas como [tex]m+n\gt m-n[/tex], temos apenas três casos a serem considerados:

  • [tex] \begin{cases}m+n = 909\\m-n = 1\end{cases} \, [/tex];
  • [tex] \begin{cases}m+n = 303\\m-n = 3\end{cases} \, [/tex];
  • [tex] \begin{cases}m+n = 101\\m-n = 9\end{cases} \, [/tex].

Nos dois primeiros casos, solucionando os respectivos sistemas obtemos [tex]m=455 [/tex] e [tex]m=153[/tex]. Mas, em ambos os casos, [tex]m^2[/tex] teria mais de quatro dígitos ([tex]207 \, 025[/tex] e [tex]23 \, 409[/tex] respectivamente). Já no terceiro sistema, obtemos [tex]m=55[/tex] e [tex]n=46[/tex] e esses valores são convenientes.
Portanto, o número inicial é [tex] \, \fcolorbox{black}{#eee0e5}{$m^2=3025$} \, [/tex] e o segundo número é [tex] \, \fcolorbox{black}{#eee0e5}{$n^2=2116$} \, [/tex]; e essa é única solução que satisfaz as condições do problema.


Solução elaborada pelos Moderadores do Blog.

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