Escribe z=a+bi con a2+b2=p; salvo signos e intercambio, el triángulo necesita ∣Rez3∣−∣Imz3∣<p.
Write z=a+bi with a2+b2=p; up to signs and swapping, the triangle needs ∣Rez3∣−∣Imz3∣<p.
Pista grande:
Rez3−Imz3=(a+b)(a2+b2−4ab), así que 4ab debe estar dentro de p de p.
Rez3−Imz3=(a+b)(a2+b2−4ab), so 4ab must be within p of p.
Solución:
Escribe z=a+bi con a2+b2=p. El primo p=2 sí cumple: para z=−1+i tenemos z3=2+2i, pero no puede ser la mayor respuesta. Por lo tanto, considera un primo impar p, de modo que p≡1(mod4) y el par {∣a∣,∣b∣} queda determinado de manera única. Reemplazar z por ±z,±zˉ,±iz, o ±izˉ solo cambia los signos de las partes real e imaginaria de z3 o las intercambia, así que podemos tomar a>b>0, y las dos longitudes de lado candidatas son ∣Rez3∣ y ∣Imz3∣. Al desarrollar z3=(a3−3ab2)+(3a2b−b3)i y factorizar, obtenemos Rez3+Imz3=(a−b)(p+4ab),Rez3−Imz3=(a+b)(p−4ab). El triángulo existe exactamente cuando ∣Re∣−∣Im∣<p<∣Re∣+∣Im∣, y esas dos cantidades son, en algún orden, los valores absolutos anteriores. Como a>b obliga a (a−b)(p+4ab)>p, toda la condición se reduce a (a+b)∣p−4ab∣<p.
Como a+b>a2+b2=p, esto requiere Δ=∣p−4ab∣<p. La cota p=a2+b2<1000 da 1≤b<a≤31; además, b≤21, porque b≥22 obligaría a a≥23 y p≥222+232>1000. Al sustituir p=a2+b2 en (a2+b2−4ab)2<a2+b2 y comprobar estos enteros acotados se obtiene la lista completa de valores posibles p∈{10,17,53,68,130,153,212,241,272,349,386,520,565,725,778,905,964}. Solo cuatro valores de esta lista son primos, en (a,b,p,Δ)=(4,1,17,1),(7,2,53,3),(15,4,241,1),(18,5,349,11). Los valores correspondientes de (a+b)Δ son 5,27,19,253, respectivamente, todos menores que p, así que los cuatro también satisfacen la desigualdad triangular completa. Por tanto, el mayor primo posible es 349.
En efecto, para z=18+5i obtenemos z3=4482+4735i, y las longitudes 349,4482,4735 forman un triángulo válido. La respuesta es 349.
Write z=a+bi with a2+b2=p. The prime p=2 does qualify: for z=−1+i we have z3=2+2i, but it cannot be the largest answer. Hence consider an odd prime p, so p≡1(mod4) and the pair {∣a∣,∣b∣} is unique. Replacing z by ±z,±zˉ,±iz,±izˉ only changes the real and imaginary parts of z3 by signs and swaps, so we may take a>b>0, and the two candidate side lengths are ∣Rez3∣ and ∣Imz3∣. Expanding z3=(a3−3ab2)+(3a2b−b3)i and factoring, Rez3+Imz3=(a−b)(p+4ab),Rez3−Imz3=(a+b)(p−4ab). The triangle exists exactly when ∣Re∣−∣Im∣<p<∣Re∣+∣Im∣, and those two quantities are, in some order, the absolute values above. Since a>b forces (a−b)(p+4ab)>p, the whole condition reduces to (a+b)∣p−4ab∣<p.
Because a+b>a2+b2=p, this requires Δ=∣p−4ab∣<p. The bound p=a2+b2<1000 gives 1≤b<a≤31; moreover b≤21, because b≥22 would force a≥23 and p≥222+232>1000. Substituting p=a2+b2 into (a2+b2−4ab)2<a2+b2 and checking these bounded integers gives the complete list of possible values p∈{10,17,53,68,130,153,212,241,272,349,386,520,565,725,778,905,964}. Only four values in this list are prime, at (a,b,p,Δ)=(4,1,17,1),(7,2,53,3),(15,4,241,1),(18,5,349,11). The corresponding values of (a+b)Δ are 5,27,19,253, respectively, all below p, so all four also pass the full triangle inequality. Thus the largest possible prime is 349.
Indeed for z=18+5i we get z3=4482+4735i, and the lengths 349,4482,4735 form a valid triangle. The answer is 349.