Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 Exponent of a Prime and Legendre’s Formula



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet106/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   102   103   104   105   106   107   108   109   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

6.5. Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
297
Remark.
A graphical solution to this problem is the following. The problem re-
duces (as in the text) to showing that
3
x
+
3
y
+
2
x
+
3
y
+
2
y
≥ 
2
x
+
3
y
+
x
+
2
y
+
x
+
y
+
x
+
2
y
.
Now observe that it suffices to show this for 0

x
<
1 and 0

y
<
1.
For this draw two copies of the unit square. On the first plot the regions on which
the left-hand side is constant and the corresponding value, and for the second do
the same thing for the right-hand side. Then one just compares and sees that the
left-hand side is always greater.
Problem 6.5.10.
Prove that there exists a constant c such that for any positive
integers a
,
b
,
n for which a
! ·
b
!|
n
!
we have a
+
b
<
n
+
c
ln
n.
(Paul Erd˝os)
Solution.
This time, the second formula for
e
p
(
n
)
is useful. Of course, there is no
reasonable estimation of this constant, so we should see what happens if
a
! ·
b
! |
n
!
. Then
e
2
(
a
)
+
e
2
(
b
)

e
2
(
n
)
, which can be translated as
a

S
2
(
a
)
+
b

S
2
(
b
)

n

S
2
(
n
) <
n
. So, we have found almost exactly what we needed:
a
+
b
<
n
+
S
2
(
a
)
+
S
2
(
b
)
. Now we need another observation: the sum of digits
of a number
A
when written in binary is at most the number of digits of
A
in
base 2, which is 1

log
2
A
(this follows from the fact that 2
k

1

A
<
2
k
,
where
k
is the number of digits of
A
in base 2). So, we have the estimations
a
+
b
<
n
+
S
2
(
a
)
+
S
2
(
b
)

n
+
2
+
log
2
ab

n
+
2
+
2 log
2
n
(since we have
of course
a
,
b

n
). And now the conclusion is immediate.
Problem 6.5.11.
Prove that for any integer k

2
, the equation
1
10
n
=
1
n
1
!
+
1
n
2
!
+ · · · +
1
n
k
!
does not have integer solutions such that
1

n
1
<
n
2
<
· · ·
<
n
k
.
(Tuymaada Olympiad)
Solution.
Suppose we have found a solution of the equation and let us consider
P
=
n
1
!
n
2
! · · ·
n
k
!
.
We have
10
n
(
n
1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+ · · · +
(
n
k

1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+
1
=
n
k
!
,
which shows that
n
k
divides 10
n
. Let us write
n
k
=
2
x
·
5
y
. First of all, suppose
that
x
,
y
are positive. Thus,
(
n
1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+ · · · +
(
n
k

1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+
1


298
II Solutions, 6. Arithmetic Functions
is relatively prime to 10, and it follows that
e
2
(
n
k
)
=
e
5
(
n
k
)
. This implies of
course that
n
k
2
j
=
n
k
5
j
for all
j
(because we clearly have
n
k
2
j
>
n
k
5
j
). Take
j
=
1, then from
n
k
2

#
n
k
2
$

#
n
k
5
$

n
k
5

1
we get
n
k

3. Checking by hand shows that the inequality does not hold for
n
k
=
2 or
n
k
=
3, so we get only
k
=
1, which is not possible, since
k

2.
Next, suppose that
y
=
0. Then
(
n
1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+ · · · +
(
n
k

1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+
1
is odd and thus
e
2
(
n
k
)
=
n

e
5
(
n
k
)
. Again this implies
e
2
(
n
k
)
=
e
5
(
n
k
)
, and we
have seen that this gives no solution. So, actually
x
=
0. A crucial observation is
that if
n
k
>
n
k

1
+
1, then
(
n
1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+ · · · +
(
n
k

1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+
1
is again odd, and thus we find again that
e
2
(
n
k
)
=
n

e
5
(
n
k
)
, impossible. So,
n
k
=
n
k

1
+
1. But then, taking into account that
n
k
is a power of 5, we deduce
that
(
n
1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+ · · · +
(
n
k

1
+
1
)
· · ·
(
n
k

1
)
n
k
+
1
is congruent to 2 modulo 4 and thus
e
2
(
n
k
)
=
n
+
1

e
5
(
n
k
)
+
1. It follows that
n
k
2

1
+
n
k
5
and thus
n
k

6. Since
n
k
is a power of 5, we find that
n
k
=
5,
n
k

1
=
1, and a quick search of all possibilities shows that there are no solutions.


7
More on Divisibility
7.1
Congruences Modulo a Prime:
Fermat’s Little Theorem
Problem 7.1.11.
Let
3
n

2
n
be a power of a prime for some positive integer n.
Prove that n is a prime.
Solution.
Let 3
n

2
n
=
p
α
for some prime
p
and some
α

1, and let
q
be
a prime divisor of
n
. Assume that
q
=
n
; then
n
=
kq
, where
k
>
1. Since
p
α
=
3
kq

2
kq
=
(
3
k
)
q

(
2
k
)
q
, we observe that
p
α
is divisible by 3
k

2
k
.
Hence 3
k

2
k
=
p
β
for some
β

1. Now we have
p
α
=
(
2
k
+
p
β
)
q

2
kq
=
q
2
k
(
q

1
)
p
β
+
q
(
q

1
)
2
2
k
(
q

2
)
p
2
β
+ · · · +
p
q
β
.
Since
α > β
(because
p
β
=
3
k

2
k
is less than
p
α
=
3
kq

2
kq
), it follows that
p
α
is divisible by a power of
p
at least as great as
p
β
+
1
. Then the above equality
implies that
p
divides
q
2
k
(
q

1
)
. On the other hand,
p
is obviously odd, and hence
it divides
q
. Being a prime,
q
must then be equal to
p
. Therefore
n
=
kq
=
kp
,
and
p
α
=
(
3
p
)
k

(
2
p
)
k
is divisible by 3
p

2
p
, implying 3
p

2
p
=
p
γ
for
some
γ

1. In particular, we infer that 3
p

2
p
(
mod
p
)
. Now, observing that
p
=
2
,
3, we reach a contradiction to Fermat’s little theorem, by which
3
p

3
(
mod
p
),
2
p

2
(
mod
p
).
Problem 7.1.12.
Let f
(
x
1
, . . . ,
x
n
)
be a polynomial with integer coefficients of
total degree less than n. Show that the number of ordered n-tuples
(
x
1
, . . . ,
x
n
)
with
0

x
i

12
such that f
(
x
1
, . . . ,
x
n
)

0
(
mod 13
)
is divisible by
13
.
(1998 Turkish Mathematical Olympiad)
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_18, 
299


300

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   102   103   104   105   106   107   108   109   ...   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