Ответ:

Поскольку Сергей живет в одном доме с Петровым, его фамилия не Петров. По условию он также не Сергеев, значит, Сергей — Иванов. Иван не Иванов, поэтому Иван — Петров или Сергеев. Но Петр не Петров, следовательно, Петр — Сергеев, а Иван — Петров.

Ответ: Иван — Петров, Петр — Сергеев, Сергей — Иванов.