Tìm số tự nhiên n để: n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1 là số nguyên tố.

Ta có:

n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1

= n²⁰²¹ ‒ n² + n²⁰²⁰ ‒ n + n² + n +1

= n²(n²⁰¹⁹ ‒ 1) + n(n²⁰¹⁹ ‒ 1) + (n² + n +1)

= (n² + n)(n²⁰¹⁹ ‒ 1) + (n² + n +1)

= n(n + 1)(n²⁰¹⁹ ‒ 1) + (n² + n +1)                                 (1)

Để ý rằng, 2019 chia hết cho 3 và 2019 = 3.673

Nên nếu đặt A = n³ thì n²⁰¹⁹ = A⁶⁷³

Mặt khác áp dụng hằng đẳng thức sau:

a^k ‒ b^k = (a ‒ b)(a^k‒1 + a^k‒2b¹ + a^k‒3b² +...+ a¹b^k‒2 + b^k‒1)

Ta có: n²⁰¹⁹ ‒ 1 = A⁶⁷³ ‒ 1 = A⁶⁷³ ‒ 1⁶⁷³ = (A ‒ 1)(A⁶⁷² + A⁶⁷¹ + ... + A¹ + 1)

⇒ n²⁰¹⁹ ‒ 1 ⋮ (A ‒ 1) hay n²⁰¹⁹ ‒ 1 ⋮ (n³ ‒ 1)

Mà n³ ‒ 1 = (n ‒ 1)(n² + n +1) ⇒ n²⁰¹⁹ ‒ 1 ⋮ (n² + n +1)         (2)                 

Từ (1) và (2) ⇒ n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1 ⋮ (n² + n +1)        

Như vậy để n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1 là một số nguyên tố thì có hai trường hợp:

1. n² + n +1 = 1, trường hợp này không xảy ra do n > 0 (giả thiết)

2. n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1 = n² + n +1 hay n²⁰²⁰(n + 1) = n(n + 1) ⇒ n(n + 1)(n²⁰¹⁹ ‒ 1) = 0

Do n > 0 nên n²⁰¹⁹ ‒ 1 = 0 ⇒ n = 1

Thử lại ta có: n²⁰²¹ + n²⁰²⁰ + 1 = 1²⁰²¹ + 1²⁰²⁰ + 1 = 3 là số nguyên tố.