Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet39/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

3.1. General Problems
63
(a)
x

(
−∞
,

1
)
. Then
x
≤ −
2 and
x
x
>
2, a contradiction.
(b)
x
= −
1
⇒ 
x
= −
1. Then
x
x
=
(

1
)
·
(

1
)
=
1 and
x
x
=
1,
so
x
= −
1 is a solution.
(c)
x

(

1
,
0
)
. We have
x
= −
1 and
x
x
= −
x
<
1, false.
(d) If
x
∈ [
0
,
1
)
, then
x
=
0 and
x
x
=
0
<
1, so we have no solution in
this case.
(e) For
x
∈ [
1
,
2
)
we obtain
x
=
1 and
x
x
=
x
, as needed.
(f) Finally, for
x

2 we have
x

2 and
x
x

2
x

4, a contradiction
with (1).
Consequently,
x
∈ {−
1
} ∪ [
1
,
2
)
.
Problem 3.1.3.
Prove that for any integer n one can find integers a and b such
that
n

a

2

b

3
.
Solution.
For any integer
n
, one can find an integer
b
such that
b

1
<
n


2

3
<
b
.
Because
b

2

3
<
b

1 we obtain

2
+
b

3

2
<
n


2
+
b

3
.
Using property (5) we have to consider the following cases:
(1) If
n


2

b

3
, we are done.
(2) If
n


2

b

3
+
1, then
n

2

2

b

3
.
(3) If
n


2

b

3

1, then
n

0

2

b

3
.
Problem 3.1.4.
Find all real numbers x
>
1
, such that
n

x
n
is an integer for
all positive integers n, n

2
.
(2004 Romanian Regional Mathematical Contest)
Solution.
Put
n

x
n
=
a
n
. Then
x
n
=
a
n
n
and
a
n
n

x
n
<
a
n
n
+
1. Taking roots,
one obtains
a
n

x
<
n
a
n
n
+
1. This shows that
x
=
a
n
.
We will show that positive integers
x
,
x

2, satisfy the condition and that they
are the only solutions. Assume, by way of contradiction, that there is a solution
x
that is not a nonnegative integer. Put
x
=
a
+
α
,
a

Z
,
a

1, 0
< α <
1.
It follows that
a
n
< (
a
+
α)
n
<
a
n
+
1, and therefore,
1
<
1
+
α
a
n
<
1
+
1
a
n

2
.
On the other hand, by the Bernoulli inequality,
1
+
α
a
n

1
+
n
α
a
>
2
,
for sufficiently large
n
, a contradiction.


64
I Fundamentals, 3. Floor Function and Fractional Part
Problem 3.1.5.
Let p be a prime and let
α
be a positive real number such that
p
α
2
<
1
4
. Prove that
#
n

p

α
n
$
=
#
n

p
+
α
n
$
for all integers n

#
α/
1

2
α

p
$
+
1
.
Solution.
It suffices to prove that there are no integers in the interval
n

p

α
n
,
n

p
+
α
n
for
n
> α/
1

2
α

p
.
Assume by way of contradiction that there is integer
k
such that
n

p

α
n
<
k

n

p
+
α
n
.
Hence
n
2
p
+
α
2
n
2

2
α

p
<
k
2

n
2
p
+
α
2
n
2
+
2
α

p
.
Observe that
α
2
n
2

2
α

p
>

1. If
n
> α/
1

2
α

p
, then
α
2
n
2
+
2
α

p
<
1,
so
n
2
p

1
<
k
2
<
n
2
p
+
1
.
It follows that
k
2
=
pn
2
or

p
=
k
/
n
, which is false, since
p
is prime.
Problem 3.1.6.
Find the number of different terms of the finite sequence
k
2
1998
,
where k
=
1
,
2
, . . . ,
1997
.
(1998 Balkan Mathematical Olympiad)
Solution.
Note that
'
998
2
1998
(
=
498
<
499
=
'
999
2
1998
(
,
so we can compute the total number of distinct terms by considering
k
=
1
, . . .
,
998 and
k
=
999
, . . . ,
1997 independently. Observe that for
k
=
1
, . . . ,
997,
(
k
+
1
)
2
1998

k
2
1998
=
2
k
+
1
1998
<
1
,
so for
k
=
1
, . . . ,
998, each of the numbers
'
1
2
1998
(
=
0
,
1
, . . . ,
498
=
'
998
2
1998
(
appears at least once in the sequence
k
2
/
1998
, for a total of 499 distinct terms.
For
k
=
999
, . . . ,
1996, we have
(
k
+
1
)
2
1998

k
2
1998
=
2
k
+
1
1998
>
1
,


3.1. General Problems
65
so the numbers
k
2
/
1998
(
k
=
999
, . . . ,
1997
)
are all distinct, giving
1997

999
+
1
=
999 more terms. Thus the total number of distinct terms is
1498.
Problem 3.1.7.
Determine the number of real solutions a of the equation
#
a
2
$
+
#
a
3
$
+
#
a
5
$
=
a
.
(1998 Canadian Mathematical Olympiad)
Solution.
There are 30 solutions. Since
a
/
2
,
a
/
3
, and
a
/
5
are integers, so
is
a
. Now write
a
=
30
p
+
q
for integers
p
and
q
, 0

q
<
30. Then
#
a
2
$
+
#
a
3
$
+
#
a
5
$
=
a

31
p
+
#
q
2
$
+
#
q
3
$
+
#
q
5
$
=
30
p
+
q

p
=
q

#
q
2
$

#
q
3
$

#
q
5
$
.
Thus, for each value of
q
, there is exactly one value of
p
(and one value of
a
)
satisfying the equation. Since
q
can equal any of thirty values, there are exactly
30 solutions, as claimed.
Problem 3.1.8.
Let
λ
be the positive root of the equation t
2

1998
t

1
=
0
.
Define the sequence x
0
,
x
1
, . . .
by setting
x
0
=
1
,
x
n
+
1

λ
x
n
,
n

0
.
Find the remainder when x
1998
is divided by
1998
.
(1998 Iberoamerican Mathematical Olympiad)
Solution.
We have
1998
< λ
=
1998
+

1998
2
+
4
2
=
999
+
999
2
+
1
<
1999
,
x
1
=
1998,
x
2
=
1998
2
. Since
λ
2

1998
λ

1
=
0,
λ
=
1998
+
1
λ
and
x
λ
=
1998
x
+
x
λ
for all real numbers
x
. Since
x
n

x
n

1
λ
and
x
n

1
is an integer and
λ
is irra-
tional, we have
x
n
<
x
n

1
λ <
x
n
+
1 or
x
n
λ
<
x
n

1
<
x
n
+
1
λ
.


66
I Fundamentals, 3. Floor Function and Fractional Part
Since
λ >
1998,
x
n

=
x
n

1

1. Therefore,
x
n
+
1

x
n
λ
=
#
1998
x
n
+
x
n
λ
$
=
1998
x
n
+
x
n

1

1
;
hence
x
n
+
1

x
n

1

1
(
mod 1998
)
. Therefore by induction,
x
1998

x
0

999

1000
(
mod 1998
)
.
Problem 3.1.9.
(Hermite
1
)
Let n be a positive integer. Prove that for any real
number x,
nx

x
+
%
x
+
1
n
&
+ · · · +
%
x
+
n

1
n
&
.
Solution.
Let
f
(
x
)
be the difference between the right-hand side and the left-hand
side of (1). Then
f
x
+
1
n
=
%
x
+
1
n
&
+ · · · +
%
x
+
1
n
+
n

1
n
&

%
n
x
+
1
n
&
=
%
x
+
1
n
&
+ · · · +
%
x
+
n

1
n
&

x
+
1
− 
nx
+
1
,
and since
x
+
k

x
+
k
for each integer
k
, it follows that
f
x
+
1
n
=
f
(
x
)
for all real
x
. Hence
f
is periodic with period 1
/
n
. Thus it suffices to study
f
(
x
)
for 0

x
<
1
/
n
. But
f
(
x
)
=
0 for all these values; hence
f
(
x
)
=
0 for all real
x
, and the proof is complete.
Additional Problems
Problem 3.1.10.
Let
n
be a positive integer. Find with proof a closed formula for
the sum
%
n
+
1
2
&
+
%
n
+
2
2
2
&
+ · · · +
%
n
+
2
k
2
k
+
1
&
+ · · ·
.
(10th International Mathematical Olympiad)
Problem 3.1.11.
Compute the sum
0

i
<
j

n
%
x
+
i
j
&
,
where
x
is a real number.
1
Charles Hermite (1822–1901), French mathematician who did brilliant work in many branches of
mathematics.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   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