a)  Chứng minh \[{p^4} - 1\] chia hết cho 240 với mọi số nguyên tố \[p > 5.\]

b) Lần cắt thứ nhất, bạn An cắt một mảnh giấy hình vuông thành 4 hình vuông nhỏ bằng nhau (hình vẽ). Lần cắt thứ hai, bạn An lấy một trong các hình vuông đó cắt thành 4 hình vuông nhỏ bằng nhau (như lần thứ nhất), và cứ làm như vậy nhiều lần. Hỏi sau bao nhiêu lần cắt thì bạn An có được 55 hình vuông?

a) Cho biểu thức \[M = \frac{1}{{\sqrt x - \sqrt {x - 1} }} + \frac{1}{{\sqrt x - \sqrt {x - 1} }} - 4 \cdot \frac{{x\sqrt x - x}}{{1 - \sqrt x }},\] với \[x > 1.\]

Rút gọn M và tìm giá trị nhỏ nhất của M.

* Rút gọn \(M\):

\(M = \frac{1}{{\sqrt x - \sqrt {x - 1} }} - \frac{1}{{\sqrt x + \sqrt {x - 1} }} - 4\frac{{x\sqrt x - x}}{{1 - \sqrt x }}\)

       \( = \left( {\sqrt x + \sqrt {x - 1} } \right) - \left( {\sqrt x - \sqrt {x - 1} } \right) - \frac{{4x\left( {\sqrt x - 1} \right)}}{{1 - \sqrt x }}\)

       \( = 2\sqrt {x - 1} + 4x\)

* Tìm giá trị nhỏ nhất của \(M\):

Cách 1: Đặt \(t = \sqrt {x - 1} \,\,\,\,\left( {t > 0} \right)\,\,\, \Rightarrow x = {t^2} + 1\)

Khi đó \(M = 4{t^2} + 2t + 4 = {\left( {2t + \frac{1}{2}} \right)^2} + \frac{{15}}{4} > 4,\,\,\,\forall t > 0\)

\(\begin{array}{l} \Rightarrow M - \frac{{15}}{4} = {\left( {2t + \frac{1}{2}} \right)^2}\\ \Rightarrow \sqrt {M - \frac{{15}}{4}} = 2t + \frac{1}{2}\end{array}\)

Đặt \(y = f\left( t \right) = 2t + \frac{1}{2}\): HS bậc nhất, đồng biến (vì \(a = 2 > 0\))

Vì \(t > 0\) nên \(y = f\left( t \right) > f\left( 0 \right) = \frac{1}{2}\)

\( \Rightarrow \)Không tồn tại min\(y\) \( \Rightarrow \)Không tồn tại min\(M\).

 Cách 2:

Do \(x > 1\) nên \(2\sqrt {x - 1} > 0\) và \(4x > 4\). Vậy \(M > 4,\,\,\,\forall x > 1\)

Giả sử \(m\) là GTNN của \(M\) \( \Rightarrow \)\(m > 4\)

Xét phương trình: \(\,\,\,\,\,\,2\sqrt {x - 1} + 4x = n\,\,\,\,\,\,\,\left( 1 \right)\)

                            \( \Leftrightarrow 2\sqrt {x - 1} + 4\left( {x - 1} \right) + 4 - n = 0\)

Đặt \(t = \sqrt {x - 1} \,\,\,\,\left( {t > 0} \right)\,\,\). Phương trình trở thành: \(4{t^2} + 2t + 4 - n = 0\,\,\,\,\,\,\left( 2 \right)\)

Vì \(n > 4\)nên\(4\left( {4 - n} \right) < 0\)\( \Rightarrow \) Phương trình \(\left( 2 \right)\)trái dấu

                                        \( \Rightarrow \) Phương trình \(\left( 2 \right)\)có một nghiệm \(t > 0\)

                                        \( \Rightarrow \) Phương trình \(\left( 1 \right)\)có một nghiệm \(x > 1\)

                                        \( \Rightarrow \) Tồn tại \(x > 1\)để \(M = n\) (Điều này vô lý với giả sử \(m\) là GTNN của \(M\))

Vậy không tồn tại GTNN của \(M\).

Cách 3:

Đặt \(t = \sqrt {x - 1} \,\,\,\,\left( {t > 0} \right)\,\,\, \Rightarrow x = {t^2} + 1\)

Khi đó \[M = 4{t^2} + 2t + 4\]

\[ \Leftrightarrow \frac{M}{4} = {t^2} + \frac{t}{2} + 1 = {\left( {t + \frac{1}{4}} \right)^2} + \frac{{15}}{{16}}\]

\[ \Leftrightarrow \,\frac{M}{4} - \,\frac{{15}}{{16}} = {\left( {t + \frac{1}{4}} \right)^2}\]

\[ \Leftrightarrow \,Y = {X^2}\,\,\]với \(\left\{ \begin{array}{l}Y = \frac{M}{4} - \frac{{15}}{{16}}\\X = t + \frac{1}{4} > \frac{1}{4}\end{array} \right.\)

Giả sử GTNN của \[\,Y = \,{Y_0}\] đạt được khi \[\,X = \,{X_0}\].

Theo định nghĩa ta có: \(\left\{ \begin{array}{l}\forall X > \frac{1}{4}:Y \ge {Y_0}\,\,\,\left( * \right)\\\exists X = {X_0} > \frac{1}{4}:Y\left( {{X_0}} \right) = {Y_0}\,\end{array} \right.\)

Vì \[Y = {X^2}\,\,\]là hàm số đồng biến khi \[\,X > 0\] nên \[Y = {X^2}\,\,\]cũng đồng biến khi \[\,X > \frac{1}{4}\]

Chọn \[\,{X_1} > {X_0} > \frac{1}{4}\]\( \Rightarrow \)\[\,Y\left( {{X_1}} \right) > Y\left( {{X_0}} \right)\]\( \Rightarrow \)\({Y_1} > {Y_0}\) (mâu thuẫn với \(\left( * \right)\))

Vậy không tồn tại GTNN của \(M\).

b) Tìm tất cả các số tự nhiên n sao cho \[A = \sqrt {n + 3} + \sqrt {n + \sqrt {n + 3} } \] là số nguyên.

Cách 1:

Đặt \[m = \sqrt {n + 3} + \sqrt {n + \sqrt {n + 3} } ,m \in \mathbb{Z}*\]

\[\begin{array}{l} \Rightarrow n + \sqrt {n + 3} = {\left( {m - \sqrt {n + 3} } \right)^2} = {m^2} + n + 3 - 2m\sqrt {n + 3} \\ \Rightarrow \sqrt {n + 3} = \frac{{{m^2} + 3}}{{2m + 1}} \in \mathbb{Q}\end{array}\]

Do đó \[\sqrt {n + 3} \in \mathbb{Q}\]

Mà \[n + 3 \in \mathbb{Z} \Rightarrow \sqrt {n + 3} \in \mathbb{Z}\]

\[\begin{array}{l} \Rightarrow 2m + 1\left| {{m^2} + 3} \right. \Rightarrow 2m + 1\left| {4{m^2} + 12} \right.\\ \Rightarrow 2m + 1\left| {\left[ {{{\left( {2m + 1} \right)}^2} - 2(2m + 1) + 13} \right]} \right.\\ \Rightarrow 2m + 1\left| {13} \right.\end{array}\]

Vì \[n \ge 0 \Rightarrow \sqrt {n + 3} \ge \sqrt 3 \Rightarrow m \ge \sqrt 3 + \sqrt {\sqrt 3 } > 3\]

Vậy \[2m + 1 = 13 \Rightarrow m = 6 \Rightarrow \sqrt {n + 3} = \frac{{{6^2} + 3}}{{2.6 + 1}} = 3 \Rightarrow n = 6\]

Vậy \[n = 6\] là số tự nhiên duy nhất tìm được.

Cách 2:

Đặt \(a = n + 3{\rm{ }}v\`a {\rm{ }}b = n + \sqrt {n + 3} \left( {a,b \in N} \right)\)

\( \Rightarrow a - 3 + \sqrt a = b\)

\[\begin{array}{l} \Rightarrow {\left( {\sqrt a + \frac{1}{2}} \right)^2} - b = \frac{{13}}{4}\\ \Rightarrow {\left( {2\sqrt a + 1} \right)^2} - {\left( {2\sqrt b } \right)^2} = 13\\ \Rightarrow \left( {2\sqrt a + 1 - 2\sqrt b } \right).\left( {2\sqrt a + 1 + 2\sqrt b } \right) = 13\end{array}\]

Ta có \(a,b \in N \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}2\sqrt a + 1 + 2\sqrt b > 2\sqrt a + 1 - 2\sqrt b \\2\sqrt a + 1 + 2\sqrt b > 0\end{array} \right.\)

\[\begin{array}{l} \Rightarrow \left\{ \begin{array}{l}2\sqrt a + 1 - 2\sqrt b = 1\\2\sqrt a + 1 + 2\sqrt b = 13\end{array} \right.\\ \Rightarrow a = b = 9\\ \Rightarrow n = 6\end{array}\]

Vậy \[n = 6\]