Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 6. Arithmetic Functions



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet103/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   99   100   101   102   103   104   105   106   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 6. Arithmetic Functions
Problem 6.1.7.
Define
λ(
1
)
=
1
, and if n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
, define
λ(
n
)
=
(

1
)
α
1
+···+
α
k
.
(1) Show that
λ
is completely multiplicative.
(2) Prove that
d
|
n
λ(
d
)
=
1
if n is a square,
0
otherwise.
(3) Find the convolutive inverse of
λ
.
Solution.
(1) Assume
m
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
and
n
=
p
β
1
1
· · ·
p
β
k
k
, where
α
1
, . . . , α
k
,
β
1
, . . . , β
k

0. Then
mn
=
p
α
1
+
β
1
1
· · ·
p
α
k
+
β
k
k
and
λ(
mn
)
=
(

1
)
α
1
+
β
1
+···+
α
k
+
β
k
=
(

1
)
α
1
+···+
α
k
(

1
)
β
1
+···+
β
k
=
λ(
m
)λ(
n
).
(2) Because
λ
is multiplicative, according to Theorem 6.1.2, it follows that its
summation function

also has this property. Therefore, it is sufficient to calculate

for a power of a prime. we have
(
p
α
)
=
(
1
)
+
(
p
)
+ · · · +
(
p
α
)
=
1 if
α
even,
0 if
α
odd.
If
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
, then
(
n
)
=
(
p
α
1
1
)
· · ·
(
p
α
k
k
)
=
1 if all
α
1
, . . . , α
k
are
even and 0 otherwise. Hence
(
n
)
=
1 if
n
is a square,
0 otherwise.
(3) Let
g
be the convolutive inverse of
λ
. From Problem 6.1.4(2) it follows
that
g
is multiplicative; hence it is determined by its values on powers of primes.
From
g

λ
=
ε
we get
(
g

λ)(
p
)
=
g
(
1
)λ(
p
)
+
g
(
p
)λ(
1
)
= −
1
+
g
(
p
)
=
0, i.e.,
g
(
p
)
=
1 for any prime
p
. Also,
(
g

λ)(
p
2
)
=
0 implies 1

1
+
g
(
p
2
)
=
0, i.e.,
g
(
p
2
)
=
0. A simple inductive argument shows that
g
(
p
α
)
=
0 for any positive
integer
α

2. It follows that
g
(
n
)
=



1 if
n
=
1
,
0 if
p
2
|
n
for some prime
p
>
1
,
1 if
n
=
p
1
· · ·
p
k
,
where
p
1
, . . . ,
p
k
are distinct primes
,
i.e.,
g
=
μ
2
, where
μ
is the M¨obius function. Hence
g
(
n
)
=
1 if
n
is square-free,
and 0 otherwise.
Problem 6.1.8.
Let an integer n
>
1
be factored into primes: n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
m
m
( p
i
distinct) and let its own positive integral exponents be factored similarly. The
process is to be repeated until it terminates with a unique “constellation” of prime


6.2. Number of Divisors
289
numbers. For example, the constellation for
192
is
192
=
2
2
2
·
3
·
3
and for
10000
is
10000
=
2
2
2
·
5
2
. Call an arithmetic function g generally multiplicative if
g
(
ab
)
=
g
(
a
)
g
(
b
)
whenever the constellations for a and b have no prime in
common.
(1) Prove that every multiplicative function is generally multiplicative. Is the
converse true?
(2) Let h be an additive function (i.e., h
(
ab
)
=
h
(
a
)
+
h
(
b
)
whenever
gcd
(
a
,
b
)
=
1
). Call a function k generally additive if k
(
ab
)
=
k
(
a
)
+
k
(
b
)
whenever the constellations for a and b have no prime in common. Prove that
every additive function is generally additive. Is the converse true?
(American Mathematical Monthly)
Solution.
(1) Let
f
be multiplicative. If the constellations for
a
and
b
have no
prime in common, then the same is true of their factorizations, so
f
(
ab
)
=
f
(
a
)
f
(
b
)
. Hence
f
is generally multiplicative.
The converse is not true. Indeed, define
g
(
a
)
to the product of all primes in
the constellation of
a
, taken once only, regardless of how many times they appear
in the constellation. Then
g
is clearly generally multiplicative, but
g
(
9
)
=
6,
g
(
2
)
=
2, and
g
(
18
)
=
6, so
g
(
9
·
2
)
=
g
(
9
)
g
(
2
)
.
(2) The statement “additive implies generally additive” can be proved in the
same way. If
k
(
a
)
is the sum of all primes in the constellation of
a
each taken
once only, then
k
is generally additive, but
k
(
9
)
=
5,
k
(
2
)
=
2, and
k
(
18
)
=
5.
6.2
Number of Divisors
Problem 6.2.5.
Does there exist a positive integer such that the product of its
proper divisors ends with exactly
2001
zeros?
(2001 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
Yes. Given an integer
n
with
τ(
n
)
divisors, the product of its divisors is

d
|
n
d
d
|
n
(
n
/
d
)
=

d
|
n
d
(
n
/
d
)
=
n
τ(
n
)
.
Thus, the product of all proper positive divisors of
n
equals
n
1
2
τ(
n
)

1
.
Since this number ends in exactly 2001 zeros,
1
2
τ(
n
)

1 divides 2001. Sup-
pose
1
2
τ(
n
)

1
=
2001. Then 10
|
n
but 100
n
and
τ(
n
)
=
4004
=
2
·
2
·
7
·
11
·
13.
One way to arrange this is to take
n
=
2
1
·
5
1
·
7
·
11
10
·
13
12
.


290
II Solutions, 6. Arithmetic Functions
Problem 6.2.6.
Prove that the number of divisors of the form
4
k
+
1
of each
positive integer is not less than the number of its divisors of the form
4
k
+
3
.
Solution.
To solve the problem, consider the function
f
(
n
)
=



0
,
if
n
is even,
1
,
if
n

1
(
mod 4
),

1
,
if
n

3
(
mod 4
).
It follows directly from this definition that
f
(
n
)
is multiplicative. Now we ap-
ply (1). The even divisors of
n
do not influence its left-hand side. Each divisor of
the form 4
k
+
1 contributes a 1, and each divisor of the form 4
k
+
3 contributes
a

1. Consequently, it suffices to prove that the summation function of
f
,
"
d
|
n
f
(
d
)
is nonnegative for each positive integer
n
.
Take any prime divisor
p
i
of
n
. If
p
i

1
(
mod 4
)
, then the same congruence
holds for all powers of
p
i
, so the
i
th factor in the right-hand side of (1) is positive.
If
p
i
is congruent to 3 modulo 4, then so are its odd powers, while the even powers
are congruent to 1 modulo 4. In this case the
i
th factor in the right-hand side has
the form 1

1
+
1

1
+ · · ·
, and it equals 1 or 0 according as
α
i
is even or odd.
Summing up, we conclude that the sum in question is nonnegative.
Problem 6.2.7.
Let d
1
,
d
2
, . . . ,
d
l
be all positive divisors of a positive integer. For
each i
=
1
,
2
, . . . ,
l denote by a
i
the number of positive divisors of d
i
. Then
a
3
1
+
a
3
2
+ · · · +
a
3
l
=
(
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
l
)
2
.
Solution.
The basic ingredient in the proof is the well-known identity
n
k
=
1
k
3
=
n
(
n
+
1
)
2
2
=
n
k
=
1
k
2
.
We have
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
l
=
d
|
n
τ(
d
)
=
k
i
=
1
1
+
τ(
p
i
)
+ · · · +
τ(
p
α
i
i
)
,
a
3
1
+
a
3
2
+ · · · +
a
3
l
=
d
|
n
τ(
d
)
3
=
k
i
=
1
1
+
τ(
p
i
)
3
+ · · · +
τ(
p
α
i
i
)
3
,
where
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
is the prime factorization of
n
.
Since
1
+
τ(
p
i
)
+ · · · +
τ(
p
α
i
i
)
=
1
+
2
+ · · · +

i
+
1
)
and
1
+
τ(
p
i
)
3
+· · ·+
τ(
p
α
i
i
)
3
=
1
3
+
2
3
+· · ·+

+
i
+
1
)
3
= [
1
+
2
+· · ·+

+
i
+
1
)
]
2
,
the conclusion follows.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   99   100   101   102   103   104   105   106   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish