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Solution to a puzzle by @Numerus_A

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The Puzzle

Compute the value of

(L2n+265)2+F2n2(L2n265)2+F2n2(nN)

Original Tweet

Solution

Let a0 and b0.
fa,b(x):=(a+x)2+b2(ax)2+b2ga,b(x):=x2a2+b2x2/4a2x2/4

x[0,2a]:fa,b(ga,b(x))=x

Assume x[0,2a]. Because fa,b(x)0, we may rewrite

fa,b(ga,b(x))=fa,b(ga,b(x))2=2a2+b2+ga,b(x)2(a2+b2+ga,b(x)2)24a2ga,b(x)2

ga,b(x)2=(4a2+4b2x2)x24(2a+x)(2ax)

a2+b2+ga,b(x)2=16a4+16a2b2x44(2a+x)(2ax)

(a2+b2+ga,b(x)2)24a2ga,b(x)2=16a4+16a2b28a2x2+x44(2a+x)(2ax)

Plugging in these values into the above expression for fa,b(ga,b(x)) yields

fa,b(ga,b(x))=28a2x22x44(2a+x)(2ax)=x

L2n2=5F2n2+4

We can use Binet-type expressions for Lucas and Fibonacci numbers:
5F2n2+4=5(ϕ2nϕ2n5)2+4=ϕ4n2+ϕ4n+4=ϕ4n+2+ϕ4n=(ϕ2n+ϕ2n)2=L2n2
Alternatively we can also compute in the Q-algebra Q[12,52], as in a previous tweet by @Numerus_A :
1=ϕ2nϕ2n=L2nF2n52L2n+F2n52=L2n25F2n24

gL2n,F2n(4)=42L2n2+F2n242/4L2n242/4=426F2n25F2n2=265

そうして
4=fL2n,F2n(gL2n,F2n(4))=fL2n,F2n(265)=(L2n+265)2+F2n2(L2n265)2+F2n2

投稿日:2021219
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