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Hemmes mathematische Rätsel: Welche Zahlen sind gesucht?

Eine Kinderhand zeigt auf eine Reihe bunter Zahlen von 1 bis 10, die auf einem hellgrünen Hintergrund angeordnet sind. Die Zahlen sind aus Holz und in verschiedenen Farben wie Blau, Rot, Gelb und Grün gestaltet. Oben im Bild sind weitere Zahlen verstreut.

Christian Vogt wurde 1969 in Solingen geboren und lebt in München. Er ist Unternehmensgründer, Klimaaktivist und liebt die isländische Sprache und Literatur. Außerdem ist er Freizeitmathematiker und erfindet auch gelegentlich mathematische Knobeleien. Die folgende Aufgabe hat er mir im April 2025 geschickt.

Welche positiven ganzen Zahlen a, b, c und d lösen das Gleichungspaar a + b = c · d und c + d = a · b?

Berücksichtigen wir die Symmetrien der beiden Gleichungen, können wir zunächst einmal annehmen, dass a ≤ b und a ≤ c ≤ d ist. Falls a = 1 ist, wird aus den beiden Gleichungen 1 + b = cd und c + d = b oder c + d – b = 0. Addiert man sie, bekommt man 1 + c + d = cd, was sich zu (c – 1)(d – 1) = 1 · 2 umformen lässt. Daraus ergeben sich sofort c = 2 und d = 3 und schließlich auch noch b = 5. Ist a ≥ 2, sind auch b, c und d ≥ 2. Da a + b ≤ 2b, cd ≥ 2d, ab ≥ 2b und c + d ≤ 2d ist, ergibt sich die Kette 2d ≤ cd = a + b ≤ 2b ≤ ab = c + d ≤ 2d aus Gleichungen und Ungleichungen. Sie kann nur dann korrekt sein, wenn a = b = c = d = 2 ist. Lassen wir nun die anfänglichen Annahmen a ≤ b und a ≤ c ≤ d fort, kann man durch Vertauschen von a und b, von c und d und der beiden Gleichungen aus der ersten Lösung sieben weitere Lösungen gewinnen. Insgesamt gibt es somit für (a, b, c, d) die neun Lösungen (1, 5, 2, 3), (5, 1, 2, 3), (1, 5, 3, 2), (5, 1, 3, 2), (2, 3, 1, 5), (3, 2, 1, 5), (2, 3, 5, 1), (3, 2, 5, 1) und (2, 2, 2, 2).

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