Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 7. More on Divisibility



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet110/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   106   107   108   109   110   111   112   113   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 7. More on Divisibility
n
|
m
3
n

1. Combining with
n
|
1
+
m
3
n
+
m
2
·
3
n
it follows that
n
=
3. If
k

n
+
1,
then
d
=
3
n
+
1
and
d
|
ϕ(
n
)
implies
d
<
n
, impossible, since 3
n
+
1
>
n
. Therefore
n
=
3 and, consequently,
m

1
(
mod 3
)
.
Problem 7.3.10.
Let a
,
n
>
2
be positive integers such that n
|
a
n

1

1
and n
does not divide any of the numbers a
x

1
, where x
<
n

1
and x
|
n

1
. Prove
that n is a prime number.
Solution.
Set
d
=
o
n
(
a
)
. Since
n
|
a
n

1

1, it follows that
d
|
n

1. If
d
<
n

1,
then we contradict the hypothesis that
n
does not divide
a
d

1. Hence
d

n

1
and consequently
d
=
n

1.
On the other hand, we have
d
|
ϕ(
n
)
; hence
n

1
|
ϕ(
n
)
. Taking into account
that
ϕ(
n
)

n

1, we find that
ϕ(
n
)
=
n

1, and it follows that
n
must be a
prime number.
Problem 7.3.11.
Find all prime numbers p
,
q for which the congruence
α
3
pq

α (
mod 3
pq
)
holds for all integers
α
.
(1996 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
Without loss of generality assume
p

q
; the unique solution will be
(
11
,
17
)
, for which one may check the congruence using the Chinese remainder
theorem. We first have 2
3
pq

2
(
mod 3
)
, which means that
p
and
q
are odd. In
addition, if
α
is a primitive root mod
p
, then
α
3
pq

1

1
(
mod
p
)
implies that
p

1 divides 3
pq

1 as well as 3
pq

1

3
q
(
p

1
)
=
3
q

1, and conversely
that
q

1 divides 3
p

1. If
p
=
q
, we now deduce
p
=
q
=
3, but 4
27

1
(
mod 27
)
, so this fails. Hence
p
<
q
.
Since
p
and
q
are odd primes,
q

p
+
2, so
(
3
p

1
)/(
q

1
) <
3. Since
this quantity is an integer, and it is clearly greater than 1, it must be 2. That is,
2
q
=
3
p
+
1. On the other hand,
p

1 divides 3
q

1
=
(
9
p
+
1
)/
2 as well as
(
9
p
+
1
)

(
9
p

9
)
=
10. Hence
p
=
11,
q
=
17.
Remark.
A composite integer
n
such that
a
n

a
(
mod
n
)
for all integers
a
is
called a
Carmichael number
. Very recently, W.R. Alford, A. Granville, and C.
Pomerance [
Annals Math.
, 139(1994), 703–722] proved that there are infinitely
many Carmichael numbers. Using the ideas outlined in the solution of the above
problem, one can show that
n
is a Carmichael number if and only if it is of the
form
p
1
p
2
· · ·
p
k
, with
p
i
different prime numbers such that
p
i

1
|
n

1 for all
i
=
1
,
2
, . . . ,
k
and
k
>
1.
Problem 7.3.12.
Let p be a prime number. Prove that there exists a prime number
q such that for every integer n, the number n
p

p is not divisible by q.
(44th International Mathematical Olympiad)


7.4. Wilson’s Theorem
309
Solution.
Note that
p
p

1
p

1
=
p
p

1
+· · ·+
p
+
1 must have at least one prime factor
q
that is not congruent to 1
(
mod
p
2
)
. We will show that this
q
works. Note that
p
p

1
(
mod
q
)
and that
q
p

1. For the latter, we note that if
q
|
p

1 then
p
p

1
+ · · · +
p
+
1

p

1
(
mod
q
)
, a contradiction. Hence
o
q
(
p
)
=
p
and
q

1
(
mod
p
)
. Suppose now that
q
|
n
p

p
for some integer
n
. Then
n
p

p
(
mod
q
)
and
n
p
2

p
p

1
(
mod
q
)
. Hence
o
q
(
n
)
=
p
2
and
q

1
(
mod
p
2
)
,
contrary to our assumption.
Remark.
Taking
q

1
(
mod
p
)
is natural, because for every other
q
,
n
p
takes
all possible residues modulo
p
(including
p
too). Indeed, if
p
q

1, then there is
an
r

N
satisfying
pr

1
(
mod
q

1
)
; hence for any
a
the congruence
n
p

a
(
mod
q
)
has the solution
n

a
r
(
mod
q
)
(see also the lemma from Problem
7.1.10).
7.4
Wilson’s Theorem
Problem 7.4.5.
Let p be an odd prime. Prove that
1
2
·
3
2
· · ·
(
p

2
)
2

(

1
)
p
+
1
2
(
mod
p
)
and
2
2
·
4
2
· · ·
(
p

1
)
2

(

1
)
p
+
1
2
(
mod
p
).
Solution.
Using Wilson’s theorem, we have
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
)
; hence
1
·
3
· · ·
(
p

2
)
2
·
4
· · ·
(
p

1
)
≡ −
1
(
mod
p
).
On the other hand,
1
≡ −
(
p

1
) (
mod
p
),
3
≡ −
(
p

3
) (
mod
p
), . . . ,
p

2
≡ −
p

(
p

2
)
(
mod
p
).
Therefore
1
·
3
· · ·
(
p

2
)

(

1
)
p

1
2
(
2
·
4
· · ·
(
p

1
)) (
mod
p
),
and the conclusion follows.
Problem 7.4.6.
Show that there do not exist nonnegative integers k and m such
that k
! +
48
=
48
(
k
+
1
)
m
.
(1996 Austrian–Polish Mathematics Competition)


310
II Solutions, 7. More on Divisibility
Solution.
Suppose such
k
,
m
exist. We must have 48
|
k
!
, so
k

6; one checks
that
k
=
6 does not yield a solution, so
k

7. In that case
k
!
is divisible by 32
and by 9, so that
(
k
! +
48
)/
48 is relatively prime to 6, as then is
k
+
1.
If
k
+
1 is not prime, it has a prime divisor greater than 3, but this prime divides
k
!
and not
k
! +
48. Hence
k
+
1 is prime, and by Wilson’s theorem,
k
! +
1 is a
multiple of
k
+
1. Since
k
! +
48 is as well, we find that
k
+
1
=
47, and we need
only check that 46
!
/
48
+
1 is not a power of 47. We check that 46
!
/
48
+
1

29
(
mod 53
)
(by canceling as many terms as possible in 46
!
before multiplying), but
that 47 has order 13 modulo 53 and that none of its powers is congruent to 29
modulo 53.
Remark.
Another argument for why
(
46
!
/
48
)
+
1 is not a power of 47 is the
following. One has that
(
46
!
/
48
)
+
1

329
=
7
·
47
(
mod 47
2
)
. The least
computational argument I could find was that clearly
(
46
!
/
48
)
+
1 is congruent to
1 mod 5, 7, and 11 (as well as many other primes) and that
o
5
(
47
)
=
o
5
(
2
)
=
4,
o
7
(
47
)
=
o
7
(
5
)
=
6, and
o
11
(
47
)
=
o
11
(
3
)
=
5. Thus the least power of 47 that
is congruent to 1 mod all three of these primes is 47
lcm
(
4
,
6
,
5
)
=
47
60
. But clearly
(
46
!
/
48
)
+
1
<
47
46
<
47
60
. Thus
(
46
!
/
48
)
+
1 is not a power of 47.
Problem 7.4.7.
For each positive integer n, find the greatest common divisor of
n
! +
1
and
(
n
+
1
)
!
.
(1996 Irish Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
f
(
n
)
=
gcd
(
n
!+
1
, (
n
+
1
)
!
)
. If
n
+
1 is composite, then each prime
divisor of
(
n
+
1
)
!
is a prime less than
n
, which also divides
n
!
and so does not
divide
n
! +
1. Hence
f
(
n
)
=
1. If
n
+
1 is prime, the same argument shows that
f
(
n
)
is a power of
n
+
1, and in fact
n
+
1
|
n
!+
1 by Wilson’s theorem. However,
(
n
+
1
)
2
does not divide
(
n
+
1
)
!
, and thus
f
(
n
)
=
n
+
1.
Problem 7.4.8.
Let p

3
be a prime and let
σ
be a permutation of
{
1
,
2
, . . .
,
p

1
}
. Prove that there are i
=
j such that p
|
i
σ(
i
)

j
σ(
j
)
.
(1986 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
Assume by contradiction that
p
does not divide
i
σ(
i
)

j
σ(
j
)
for any
i
,
j
=
1
,
2
, . . . ,
p

1,
i
=
j
. Then, the integers
i
σ(
i
)
,
i
=
1
,
2
, . . . ,
p

1, are
all not divisible by
p
and give distinct residues modulo
p
. We have
p

1
i
=
1
(
i
σ (
i
))

p

1
i
=
1
i
=
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
).
On the other hand,
p

1
i
=
1
(
i
σ (
i
))
=
p

1
i
=
1
((
p

1
)
!
)
2

1
(
mod
p
)
, a con-
tradiction.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   106   107   108   109   110   111   112   113   ...   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