+TH1: x⋮3 và y⋮3 thì x2⋮3 và y2⋮3 => x2+y2⋮3.
+TH2: x⋮3 và y không chia hết cho 3 (hoặc x không chia hết cho 3 và y⋮3)
=> x2⋮3 và y2 không chia hết cho 3 => x2+y2 không chia hết cho 3 -> loại
+TH3: x và y cùng chia 3 dư 1; giả sử x = 3a+1; y = 3b+1
\(x^2+y^2=\left(3a+1\right)^2+\left(3b+1\right)^2=9a^2+6a+1+9b^2+6b+1=3\left(3a^2+2a+3b^2+2b\right)+2\)
=> x2+y2 chia 3 dư 2 -> loại.
+TH4: x và y cùng chia 3 dư 2; giả sử x = 3a-1; y = 3b-1
\(x^2+y^2=\left(3a-1\right)^2+\left(3b-1\right)^2=9a^2-6a+1+9b^2-6b+1=3\left(3a^2-2a+3b^2-2b\right)+2\)=> x2+y2 chia 3 dư 2 -> loại
+TH5: x chia 3 dư 1 và y chia 3 dư 2 (hoặc x chia 3 dư 2 và y chia 3 dư 1); giả sử x = 3a+1; y = 3b-1
\(x^2+y^2=\left(3a+1\right)^2+\left(3b-1\right)^2=9a^2+6a+1+9b^2-6b+1=3\left(3a^2+2a+3b^2-2b\right)+2\)=> x2+y2 chia 3 dư 2 -> loại
Vậy: x2 + y2 chia hết cho 3 khi và chỉ khi x và y chia hết cho 3.