Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 Congruences Modulo a Prime: Fermat’s Little Theorem



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet108/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   104   105   106   107   108   109   110   111   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

7.1. Congruences Modulo a Prime: Fermat’s Little Theorem
303
we obtain the decomposition
2
3
k
m
+
1
=
(
2
m
+
1
)(
2
2
m

2
m
+
1
)(
2
2
·
3
m

2
3
m
+
1
)
· · ·
(
2
2
·
3
k

1
m

2
3
k

1
m
+
1
). (
1
)
Let us remark that 2
3
≡ −
1
(
mod 9
)
; hence 2
3
k
≡ −
1
(
mod 9
)
for all
k

1.
Since 2
2
s

2
s
+
1

3
(
mod 9
)
for
s
of the form 3
j
, we obtain in (1) that
3
k
|
(
2
2
m

2
m
+
1
)(
2
2
·
3
m

2
3
m
+
1
)
· · ·
(
2
2
·
3
k

1
m

2
3
k

1
m
+
1
)
but 3
k
+
1
does not divides the product. Therefore, 3
k
|
2
m
+
1. Since 3 does not
divide
m
and
2
m
+
1
=
(
3

1
)
m
+
1
=
3
m

m
1
3
m

1
+· · ·−
m
m

1
3
≡ −
3
m
(
mod 9
),
we obtain
k
=
1.
Now we have
n
=
3
m
and 9
m
2
|
2
3
m
+
1. We repeat, in some way, the starting
argument. Take
q
the least prime divisor of
m
, 2
6
m

1
(
mod
q
)
, 2
q

1

1
(
mod
q
)
, and
δ
=
gcd
(
6
m
,
q

1
)
. By the definition of
q
we can have
δ
=
1
,
2
,
3
or 6 and we also have 2
δ

1
(
mod
q
)
. Thus
q
can be chosen among prime
divisors of the numbers 3, 7, 63. Since
q
>
3, we can have only
q
=
7. Returning
to
m
2
|
2
3
m
+
1, we obtain 49
|
2
3
m
+
1. But we have 2
3
m
+
1

2
(
mod 7
)
, and
we get a contradiction.
Thus,
m
=
1 and
n
=
3.
Problem 7.1.16.
Prove that n
|
2
n

1
+
1
fails for all n
>
1
.
(Sierpi´nski)
Solution.
Although very short, the proof is tricky. Let
n
=
s
i
=
1
p
k
i
i
, where
p
1
<
· · ·
<
p
s
are prime numbers. The idea is to look at
v
2
(
p
i

1
)
. Choose the
p
i
that minimizes this quantity and write
p
i
=
1
+
2
r
i
m
i
with
m
i
odd. Then of course
we have
n

1
(
mod 2
r
i
)
. Hence we can write
n

1
=
2
m
t
. We have 2
2
ti
t
≡ −
1
(
mod
p
i
)
; thus we surely have

1

2
2
ri
tm
i

2
(
p
i

1
)
t

1
(
mod
p
i
)
(the last
congruence being derived from Fermat’s theorem). Thus
p
i
=
2, which is clearly
impossible.
Problem 7.1.17.
Prove that for any natural number n, n
!
is a divisor of
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
).
Solution.
Let us take a prime number
p
. Of course, for the argument to be nontriv-
ial, we take
p

n
(otherwise, it doesn’t divide
n
!
). First, let us see what happens
with
p
=
2. We have
e
2
(
n
)
=
n

S
2
(
n
)

n

1


304
II Solutions, 7. More on Divisibility
and also
v
2
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
)
=
n

1
k
=
0
v
2
(
2
n

2
k
)

n

1
(since 2
n

2
k
is even for
k

1), so we are done with this case. Now let us
assume that
p
>
2. We have
p
|
2
p

1

1 from Fermat’s theorem, so we also
have
p
|
2
k
(
p

1
)

1 for all
k

1. Now,
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
)
=
2
n
(
n

1
)
2
n
k
=
1
(
2
k

1
)
and so from the above remarks we infer that
v
p
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
)
=
n
k
=
1
v
p
(
2
k

1
),

1

k
(
p

1
)

n
v
p
(
2
k
(
p

1
)

1
)

card
{
k
|
1

k
(
p

1
)

n
}
.
Since
card
{
k
|
1

k
(
p

1
)

n
} =
%
n
p

1
&
,
we have found that
v
p
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
)

%
n
p

1
&
.
But we know that
e
p
(
n
)
=
n

s
p
(
n
)
p

1

n

1
p

1
<
n
p

1
,
and since
e
p
(
n
)
is an integer, we must have
e
p
(
n
)

%
n
p

1
&
.
From these two inequalities, we conclude that
v
p
A
n

1
k
=
0
(
2
n

2
k
)
B

e
p
(
n
),
and now the problem is solved.


7.2. Euler’s Theorem
305
7.2
Euler’s Theorem
Problem 7.2.5.
Prove that for every positive integer n, there exists a polynomial
with integer coefficients whose values at
1
,
2
, . . . ,
n are different powers of
2
.
(1999 Hungarian Mathematical Olympiad)
Solution.
It suffices to prove the claim when
n

4, because the same polynomial
that works for
n

4 works for
n

3. For each
i
=
1
,
2
, . . . ,
n
, consider the
product
s
i
=
n
j
=
1
,
j
=
i
(
i

j
)
. Because
n

4, one of the terms
i

j
equals 2,
and
s
i
is even. Thus, we can write
s
i
=
2
q
i
m
i
for positive integers
q
i
,
m
i
with
m
i
odd. Let
L
=
max
(
q
i
)
. For each
i
there are infinitely many powers of 2 that are
congruent to 1 mod
m
i
. (Specifically, by Euler’s theorem, 2
φ(
m
i
)
j

1
(
mod
m
i
)
for all
j

0.) Thus there are integers
c
i
such that
c
i
m
i
+
1 is a power of 2. Choose
such a
c
i
so that
c
i
m
i
+
1 are distinct powers of 2, and define
P
(
x
)
=
2
L
+
n
i
=
1
c
i
2
L

q
i
j
=
i
(
x

j
).
For each
k
, 1

k

n
, the term
j
=
i
(
x

j
)
vanishes at
x
=
k
unless
k
=
i
.
Therefore
P
(
k
)
=
2
L
+
c
k
2
L

q
k
j
=
k
(
k

j
)
=
2
L
(
c
k
m
k
+
1
),
a power of 2. Moreover, since we choose the
c
i
m
i
+
1 to be distinct, they are
different powers of 2, as needed.
Problem 7.2.6.
Let a
>
1
be an odd positive integer. Find the least positive integer
n such that
2
2000
is a divisor of a
n

1
.
(2000 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
Since
a
is odd,
(
a
,
2
k
)
=
1, for any
k

0. Hence, by Euler’s the-
orem,
a
ϕ(
2
k
)

1
(
mod 2
k
)
. Since
ϕ(
2
k
)
=
2
k

1
and we are looking for the
least exponent
n
such that
a
n

1
(
mod 2
2000
)
, it follows that
n
is a divisor of
2
1999
=
ϕ(
2
2000
)
.
If
a

1
(
mod 2
2000
)
, it follows that
n
=
1. We shall omit this case.
Consider the decomposition
a
2
m

1
=
(
a

1
)(
a
+
1
)(
a
2
+
1
)(
a
2
2
+
1
)
· · ·
(
a
2
m

1
+
1
).
Assume
a

1
(
mod 2
s
)
and
a

1
(
mod 2
s
+
1
)
, where 2

s

1999.
That is,
a
=
2
s
b
+
1, where
b
is an odd number. Equivalently,
a
has the binary
representation
a
=
1
. . .
1 00
. . .
1
s
digits
.


306

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   104   105   106   107   108   109   110   111   ...   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