Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet54/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   50   51   52   53   54   55   56   57   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
Hence
ϕ(
n
)
=
n
− |
T
1
∪ · · · ∪
T
k
| =
n

k
i
=
1
|
T
i
| +
1

i
<
j

k
|
T
i

T
j
|
− · · · +
(

1
)
k
|
T
1
∩ · · · ∩
T
k
|
.
We have
|
T
i
| =
n
p
i
,
|
T
i

T
j
| =
n
p
i
p
j
, . . . ,
|
T
1
∩ · · · ∩
T
k
| =
n
p
1
· · ·
p
k
.
Finally,
ϕ(
n
)
=
n
1

n
i
=
1
1
p
i
+
1

i
<
j

k
1
p
i
p
j
− · · · +
(

1
)
k
1
p
1
· · ·
p
k
=
n
1

1
p
1
· · ·
1

1
p
k
.
Remarks.
(1) A natural generalization of Euler’s totient function is given in Prob-
lem 6.1.6; hence it is possible to derive the properties contained in Theorems
6.4.1-6.4.3 directly from the results of this problem.
(2) Writing the formula in Theorem 6.4.3 as
ϕ(
n
)
=
n
p
1
· · ·
p
k
(
p
1

1
)
· · ·
(
p
k

1
),
it follows that
ϕ(
n
)
is an even integer for any
n

3.
Problem 6.4.1.
Prove that there are infinitely many even positive integers k such
that the equation
ϕ(
n
)
=
k has no solution.
(Schinzel
4
)
Solution.
Take
k
=
2
·
7
m
,
m

1. If
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
h
h
, then
ϕ(
n
)
=
p
α
1
1
1

1
p
1
· · ·
p
α
h
h
1

1
p
h
=
p
α
1

1
1
· · ·
p
α
h

1
h
(
p
1

1
)
· · ·
(
p
h

1
).
If at least two of the primes
p
1
, . . . ,
p
h
are odd, then 4
|
ϕ(
n
)
and
ϕ(
n
)
=
k
.
4
Andrzej Schinzel (1935– ), Polish mathematician with important work on exponential congru-
ences, Euler’s
ϕ
-function, Diophantine equations, and applications of transcendental number theory
to arithmetic problems.


6.4. Euler’s Totient Function
121
If
p
i
=
7, for some
i
, then 3
|
φ(
n
)
and
φ(
n
)
=
k
. If any odd prime
p
i
=
7 has
α
i
>
1, then
p
i
|
φ(
n
)
and again
φ(
n
)
=
k
. Thus the only remaining possibilities
are
n
=
2
α
or 2
α
p
for some
p

3. In the first case
φ(
n
)
=
2
α

1
=
k
. In
the second case, if
α >
1, then again 4
|
φ(
n
)
and
φ(
n
)
=
k
. If
α

1, then
φ(
n
)
=
p

1. For this to be
k
we need
p

1
=
2
·
7
m
or
p
=
2
·
7
m
+
1. However,
one easily checks that 3
|
2
·
7
m
+
1, so this forces
p
=
3 and
m
=
0, contrary to
our assumption.
Problem 6.4.2.
Prove that there are infinitely many positive integers n such that
ϕ(
n
)
=
n
3
.
Solution.
Let
n
=
2
·
3
m
, where
m
is a positive integer. Then
ϕ(
n
)
=
ϕ(
2
·
3
m
)
=
ϕ(
2
)ϕ(
3
m
)
=
3
m

3
m

1
=
2
·
3
m

1
=
n
3
for infinitely many values of
n
, as desired.
Problem 6.4.3.
If n is a composite positive integer, then
ϕ(
n
)

n


n
.
Solution.
because
n
is composite, it has a prime factor
p
j


n
. We have
ϕ(
n
)
=
n
1

1
p
1
· · ·
1

1
p
k

n
1

1
p
j

n
1

1

n
=
n


n
.
Problem 6.4.4.
For any positive integer n, n
=
2
, n
=
6
,
ϕ(
n
)


n
.
Solution.
If
n
=
2
m
, where
m

2, then
ϕ(
n
)
=
2
m

2
m

1
=
2
m

1


2
m
=

n
.
If
n
=
p
m
, where
p
is an odd prime and
m

2, then
ϕ(
n
)
=
p
m

p
m

1
=
p
m

1
(
p

1
)

2
p
m
=

2
n
.
If
n
=
p
m
, where
p
is a prime greater than or equal to 5, then
ϕ(
n
)


2
n
.
If
n
is odd or 4
|
n
, then
ϕ(
n
)
=
ϕ(
p
α
1
1
)
· · ·
ϕ(
p
α
k
k
)

6
p
α
1
1
· · ·
6
p
α
k
k
=

n
.
If
n
=
2
t
, where
t
is odd, then since
n
=
6, we see that
t
has at least one
prime power factor that is at least 5. Hence
ϕ(
n
)
=
ϕ(
t
)


2
t
.


122
I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
Additional Problems
Problem 6.4.5.
For a positive integer
n
, let
ψ(
n
)
be the number of prime factors
of
n
. Show that if
ϕ(
n
)
divides
n

1 and
ψ(
n
)

3, then
n
is prime.
(1998 Korean Mathematical Olympiad)
Problem 6.4.6.
Show that the equation
ϕ(
n
)
=
τ(
n
)
has only the solutions
n
=
1
,
3
,
8
,
10
,
18
,
24
,
30.
Problem 6.4.7.
Let
n
>
6 be an integer and let
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
k
be all positive
integers less than
n
and relatively prime to
n
. If
a
2

a
1
=
a
3

a
2
= · · · =
a
k

a
k

1
>
0
,
prove that
n
must be either a prime number or a power of 2.
(32nd International Mathematical Olympiad)
6.5
Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
Let
p
be a prime and let us denote by
v
p
(
a
)
the exponent of
p
in the decomposi-
tion of
a
. Of course, if
p
doesn’t divide
a
, then
v
p
(
a
)
=
0.
It is easy to prove the following properties of
v
p
:
(1) min
{
v
p
(
a
), v
p
(
b
)
} ≤
v
p
(
a
+
b
)
. If
v
p
(
a
)
=
v
p
(
b
)
, then
v
p
(
a
+
b
)
=
min
{
v
p
(
a
), v
p
(
b
)
}
.
(2)
v
p
(
ab
)
=
v
p
(
a
)
+
v
p
(
b
)
.
(3)
v
p
(
gcd
(
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
))
=
min
{
v
p
(
a
1
), v
p
(
a
2
), . . . , v
p
(
a
n
)
}
.
(4)
v
p
(
lcm
(
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
))
=
max
{
v
p
(
a
1
), v
p
(
a
2
), . . . , v
p
(
a
n
)
}
.
If we have to prove that
a
|
b
, then it is enough to prove that the exponent
of any prime number in the decomposition of
a
is at least the exponent of that
prime in the decomposition of
b
. Now let us repeat the above idea in terms of the
function
v
p
. We have
a
|
b
if and only if for every prime
p
we have
v
p
(
a
)

v
p
(
b
)
. Also, we have
a
=
b
if and only if for every prime
p
,
v
p
(
a
)
=
v
p
(
b
)
.
For each positive integer
n
, let
e
p
(
n
)
be the exponent of the prime
p
in the
prime factorization of
n
!
.
The arithmetic function
e
p
is called the
Legendre
5
function
associated with
the prime
p
, and it is connected to the function
v
p
by the relation
e
p
(
n
)
=
v
p
(
n
!
)
.
The following result gives a formula for the computation of
e
p
(
n
)
.
5
Adrien-Marie Legendre (1752–1833), French mathematician who was a disciple of Euler and
Lagrange. In number theory, he studied the function
e
p
, and he proved the unsolvability of Fermat’s
last theorem for
n
=
5.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   50   51   52   53   54   55   56   57   ...   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