Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet71/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   67   68   69   70   71   72   73   74   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

9.3. Sequences of Integers
183
Second solution.
Expanding Binet’s formula using the binomial theorem gives
2
n

1
F
n
=
n
/
2
k
=
0
5
k
n
2
k
+
1
.
Therefore
F
n

3
n

1
n
+
5
n
3
(
mod 25
)
. Modulo 25, 3
n

1
has period 20,
n
has period 25, and 5
n
3
has period 5. Therefore
F
n
clearly has period dividing
100. The period cannot divide 50, since this formula gives
F
n
+
50

3
10
F
n
≡ −
F
n
(
mod 25
)
and the period cannot divide 20 since it gives
F
n
+
20

F
n
+
3
n

1
·
20
(
mod 25
)
.
Problem 9.3.3.
Let
(
a
n
)
n

0
be the sequence defined by a
0
=
0
, a
1
=
1
, and
a
n
+
1

3
a
n
+
a
n

1
2
=
(

1
)
n
for all integers n
>
0
. Prove that a
n
is a perfect square for all n

0
.
Solution.
Note that
a
2
=
1,
a
3
=
4,
a
4
=
9,
a
5
=
25, so
a
0
=
F
2
0
,
a
1
=
F
2
1
,
a
2
=
F
2
2
,
a
3
=
F
2
3
,
a
4
=
F
2
4
,
a
5
=
F
2
5
, where
(
F
n
)
n

0
is the Fibonacci sequence.
We induct on
n
to prove that
a
n
=
F
2
n
for all
n

0. Assume that
a
k
=
F
2
k
for
all
k

n
. Hence
a
n
=
F
2
n
,
a
n

1
=
F
2
n

1
,
a
n

2
=
F
2
n

2
.
(
1
)
From the given relation we obtain
a
n
+
1

3
a
n
+
a
n

1
=
2
(

1
)
n
and
a
n

3
a
n

1
+
a
n

2
=
2
(

1
)
n

1
,
n

2
.
Summing up these equalities yields
a
n
+
1

2
a
n

2
a
n

1
+
a
n

2
=
0
,
n

2
.
(
2
)
Using the relations (1) and (2) we obtain
a
n
+
1
=
2
F
2
n
+
2
F
2
n

1

F
2
n

2
=
(
F
n
+
F
n

1
)
2
+
(
F
n

F
n

1
)
2

F
2
n

2
=
F
2
n
+
1
+
F
2
n

2

F
2
n

2
=
F
2
n
+
1
,
as desired.
Problem 9.3.4.
Define the sequence
(
a
n
)
n

0
by a
0
=
0
, a
1
=
1
, a
2
=
2
, a
3
=
6
,
and
a
n
+
4
=
2
a
n
+
3
+
a
n
+
2

2
a
n
+
1

a
n
,
n

0
.
Prove that n divides a
n
for all n
>
0
.


184
I Fundamentals, 9. Some Special Problems in Number Theory
Solution.
From the hypothesis it follows that
a
4
=
12,
a
5
=
25,
a
6
=
48. We
have
a
1
1
,
a
2
2
=
1,
a
3
3
=
2,
a
4
4
=
3,
a
5
5
=
5,
a
6
6
=
8, so
a
n
n
=
F
n
for all
n
=
1
,
2
,
3
,
4
,
5
,
6, where
(
F
n
)
n

1
is the Fibonacci sequence.
We prove by induction that
a
n
=
n F
n
for all
n
. Indeed, assuming that
a
k
=
k F
k
for
k

n
+
3, we have
a
n
+
4
=
2
(
n
+
3
)
F
n
+
3
+
(
n
+
2
)
F
n
+
2

2
(
n
+
1
)
F
n
+
1

n F
n
=
2
(
n
+
3
)
F
n
+
3
+
(
n
+
2
)
F
n
+
2

2
(
n
+
1
)
F
n
+
1

n
(
F
n
+
2

F
n
+
1
)
=
2
(
n
+
3
)
F
n
+
3
+
2
F
n
+
2

(
n
+
2
)
F
n
+
1
=
2
(
n
+
3
)
F
n
+
3
+
2
F
n
+
2

(
n
+
2
)(
F
n
+
3

F
n
+
2
)
=
(
n
+
4
)(
F
n
+
3
+
F
n
+
2
)
=
(
n
+
4
)
F
n
+
4
,
as desired.
Additional Problems
Problem 9.3.5.
Determine the maximum value of
m
2
+
n
2
, where
m
and
n
are
integers satisfying 1

m
,
n

1981 and
(
n
2

mn

m
2
)
2
=
1.
(22nd International Mathematical Olympiad)
Problem 9.3.6.
Prove that for any integer
n

4,
F
n
+
1 is not a prime.
Problem 9.3.7.
Let
k
be an integer greater than 1,
a
0
=
4,
a
1
=
a
2
=
(
k
2

2
)
2
,
and
a
n
+
1
=
a
n
a
n

1

2
(
a
n
+
a
n

1
)

a
n

2
+
8 for
n

2
.
Prove that 2
+

a
n
is a perfect square for all
n
.
9.3.2
Problems Involving Linear Recursive Relations
A sequence
x
0
,
x
1
,
x
2
, . . .
of complex numbers is defined recursively by a
linear
recursion of order k
if
x
n
=
a
1
x
n

1
+
a
2
x
n

2
+ · · · +
a
k
x
n

k
,
n

k
,
(
1
)
where
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
k
are given complex numbers and
x
0
=
α
0
,
x
1
=
α
1
, . . .
,
x
k

1
=
α
k

1
are also given.
The main problem is to find a general formula for
x
n
in terms of
a
1
,
a
2
,
. . .
,
a
k
,
α
0
, α
1
, . . . , α
k

1
, and
n
. In order to solve this problem we attach to (1) the
algebraic equation
t
k

a
1
t
k

1

a
2
t
k

2
− · · · −
a
k
=
0
,
(
2
)
which is called the characteristic equation of (1).


9.3. Sequences of Integers
185
Theorem 9.3.1.
If the characteristic equation (2) has distinct roots t
1
,
t
2
, . . . ,
t
k
,
then
x
n
=
c
1
t
n
1
+
c
2
t
n
2
+ · · · +
c
k
t
n
k
,
(
3
)
where the constants c
1
,
c
2
, . . . ,
c
k
are determined by the initial conditions x
0
=
α
0
, x
1
=
α
1
, . . .
, x
k

1
=
α
k

1
.
Proof.
Consider the sequence
y
0
,
y
1
,
y
2
, . . .
given by
y
n
=
c
1
t
n
1
+
c
2
t
n
2
+ · · · +
c
n
t
n
n
.
It is not difficult to prove that the sequence
(
y
n
)
n

0
satisfies the linear re-
cursion (1), since
t
1
,
t
2
, . . . ,
t
k
are the roots of the characteristic equation (2).
Consider the following system of linear equations:
c
1
+
c
2
+ · · · +
c
k
=
α
0
,
c
1
t
1
+
c
2
t
2
+ · · · +
c
k
t
k
=
α
1
,
. . .
c
1
t
k

1
1
+
c
2
t
k

1
2
+ · · · +
c
k
t
k

1
k
=
α
k

1
,
(4)
whose determinant is the so-called Vandermonde determinant
V
(
t
1
,
t
2
, . . . ,
t
k
)
=
1

i
<
j

k
(
t
j

t
i
).
This determinant is nonzero, because
t
1
,
t
2
, . . . ,
t
k
are distinct.
Hence
c
1
,
c
2
, . . . ,
c
k
are uniquely determined as a solution to system (4).
Moreover,
y
0
=
α
0
=
x
0
,
y
1
=
α
1
=
x
1
, . . .
,
y
k

1
=
α
k

1
=
x
k

1
. Using
strong induction, from (1) it follows that
y
n
=
x
n
for all
n
.
The case in which the roots of the characteristic equation (2) are not distinct
is addressed in the following theorem.
Theorem 9.3.2.
Suppose that equation (2) has the distinct roots t
1
, . . . ,
t
h
, with
multiplicities s
1
, . . . ,
s
h
, respectively. Then x
n
is a linear combination of
t
n
1
,
nt
n
1
, . . .
n
s
1

1
t
n
1
. . .
t
n
h
,
nt
n
h
, . . . ,
n
s
h

1
t
n
h
One can also say that
x
n
=
f
1
(
n
)
t
n
1
+
f
2
(
n
)
t
n
2
+ · · · +
f
h
(
n
)
t
n
h
,
where
f
i
is a polynomial of degree
s
i
, for each
i
.


186

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   67   68   69   70   71   72   73   74   ...   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