Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet20/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

1.2. Prime Numbers
13
Solution.
We have
n
5
+
n
4
+
1
=
n
5
+
n
4
+
n
3

n
3

n
2

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

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

n
+
1
),
the product of two integers greater than 1. Hence
n
5
+
n
4
+
1 is not a prime.
Problem 1.2.2.
Find the positive integers n with exactly
12
divisors
1
=
d
1
<
d
2
<
· · ·
<
d
12
=
n such that the divisor with index d
4

1
(that is, d
d
4

1
) is
(
d
1
+
d
2
+
d
4
)
d
8
.
(1989 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
Of course, there is 1

i

12 such that
d
i
=
d
1
+
d
2
+
d
4
. Since
d
i
>
d
4
, we have
i

5. Also, observe that
d
j
d
13

j
=
n
for all
j
and since
d
i
d
8
=
d
d
4

1

n
, we must have
i

5, thus
i
=
5 and
d
1
+
d
2
+
d
4
=
d
5
.
Also,
d
d
4

1
=
d
5
d
8
=
n
=
d
12
, thus
d
4
=
13 and
d
5
=
14
+
d
2
. Of course,
d
2
is the smallest prime divisor of
n
, and since
d
4
=
13, we can only have
d
2

{
2
,
3
,
5
,
7
,
11
}
. Also, since
n
has 12 divisors, it has at most 3 prime divisors. If
d
2
=
2 then
d
5
=
16 and then 4 and 8 are divisors of
n
smaller than
d
4
=
13,
impossible. A similar argument shows that
d
2
=
3 and
d
5
=
17. Since
n
has 12
divisors and is a multiple of 3
·
13
·
17, the only possibilities are 9
·
13
·
17, 3
·
169
·
7
and 3
·
13
·
289. One can easily check that only 9
·
13
·
17
=
1989 is a solution.
Problem 1.2.3.
Find all positive integers a
,
b for which a
4
+
4
b
4
is a prime.
Solution.
Observe that
a
4
+
4
b
4
=
a
4
+
4
b
4
+
4
a
2
b
2

4
a
2
b
2
=
(
a
2
+
2
b
2
)
2

4
a
2
b
2
=
(
a
2
+
2
b
2
+
2
ab
)(
a
2
+
2
b
2

2
ab
)
= [
(
a
+
b
)
2
+
b
2
][
(
a

b
)
2
+
b
2
]
.
Since
(
a
+
b
)
2
+
b
2
>
1, then
a
4
+
4
b
4
can be a prime number only if
(
a

b
)
2
+
b
2
=
1. This implies
a
=
b
=
1, which is the only solution of the
problem.
Problem 1.2.4.
Let p
,
q be distinct primes. Prove that there are positive integers
a
,
b such that the arithmetic mean of all the divisors of the number n
=
p
a
·
q
b
is
also an integer.
(2002 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
The sum of all divisors of
n
is given by the formula
(
1
+
p
+
p
2
+ · · · +
p
a
)(
1
+
q
+
q
2
+ · · · +
q
b
),


14
I Fundamentals, 1. Divisibility
as can easily be seen by expanding the parentheses. The number
n
has
(
a
+
1
)
×
(
b
+
1
)
positive divisors and their arithmetic mean is
M
=
(
1
+
p
+
p
2
+ · · · +
p
a
)(
1
+
q
+
q
2
+ · · · +
q
b
)
(
a
+
1
)(
b
+
1
)
.
If
p
and
q
are both odd numbers, we can take
a
=
p
and
b
=
q
, and it is easy
to see that
M
is an integer.
If
p
=
2 and
q
odd, choose again
b
=
q
and consider
a
+
1
=
1
+
q
+
q
2
+
· · · +
q
q

1
. Then
M
=
1
+
2
+
2
2
+ · · · +
2
a
, and it is an integer.
For
p
odd and
q
=
2, set
a
=
p
and
b
=
p
+
p
2
+
p
3
+ · · · +
p
p

1
. The
solution is complete.
Problem 1.2.5.
Find all primes p such that p
2
+
11
has exactly six different
divisors (including
1
and the number itself).
(1995 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
For
p
=
3, 3
|
p
2

1, and so 3
|
(
p
2
+
11
)
. Similarly, for
p
=
2,
4
|
p
2

1, and so 4
|
(
p
2
+
11
)
. Except in these two cases, then, 12
|
(
p
2
+
11
)
;
since 12 itself has six divisors (1, 2, 3, 4, 6, 12) and
p
2
+
11
>
12 for
p
>
1,
p
2
+
11 must have more than six divisors. The only cases to check are
p
=
2 and
p
=
3. If
p
=
2, then
p
2
+
11
=
15, which has only four divisors (1, 3, 5, 15),
while if
p
=
3, then
p
2
+
11
=
20, which indeed has six divisors (1, 2, 4, 5, 10,
20). Hence
p
=
3 is the only solution.
Problem 1.2.6.
Let a
,
b
,
c be nonzero integers, a
=
c, such that
a
c
=
a
2
+
b
2
c
2
+
b
2
.
Prove that a
2
+
b
2
+
c
2
cannot be a prime.
(1999 Romanian Mathematical Olympiad)
First solution.
The equality
a
c
=
a
2
+
b
2
c
2
+
b
2
is equivalent to
(
a

c
)(
b
2

ac
)
=
0.
Since
a
=
c
, it follows that
b
2
=
ac
and therefore:
a
2
+
b
2
+
c
2
=
a
2
+
ac
+
c
2
=
a
2
+
2
ac
+
c
2

b
2
=
(
a
+
c
)
2

b
2
=
(
a
+
c

b
)(
a
+
c
+
b
).
Now, clearly,
a
2
+
b
2
+
c
2
>
3, so, if
a
2
+
b
2
+
c
2
is a prime number, then
only four cases are possible:
(1)
a
+
c

b
=
1 and
a
+
c

b
=
a
2
+
b
2
+
c
2
;
(2)
a
+
c
+
b
=
1 and
a
+
c
+
b
=
a
2
+
b
2
+
c
2
;


1.2. Prime Numbers
15
(3)
a
+
c

b
= −
1 and
a
+
c
+
b
= −
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
;
(4)
a
+
c
+
b
= −
1 and
a
+
c

b
= −
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
.
In the first two cases we are led to
a
2
+
b
2
+
c
2

2
(
a
+
c
)
+
1
=
0, or
(
a

1
)
2
+
(
c

1
)
2
+
b
2
=
1; hence
a
=
c
=
1.
In other cases we obtain
(
a
+
1
)
2
+
(
c
+
1
)
2
+
b
2
=
1; hence
a
=
c
= −
1.
But
a
=
c
is a contradiction.
Second solution.
As in the previous solution we get
b
2
=
ac
, then observe that
this forces
a
and
c
to have the same sign. Hence replacing them with their neg-
atives if necessary we may assume
a
,
c
>
0. Similarly, we may assume
b
>
0.
Then continue with the given solution to get
a
2
+
b
2
+
c
2
=
(
a
+
c

b
)(
a
+
b
+
c
)
.
If this is a prime then the smaller factor
a
+
c

b
must be 1. But since
a
=
c
,
a
+
c
>
2

ac
=
2
b
so
a
+
c

b
>
b

1, a contradiction.
Problem 1.2.7.
Show that each natural number can be written as the difference
of two natural numbers having the same number of prime factors.
(1999 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
If
n
is even, then we can write it as
(
2
n
)

(
n
)
. If
n
is odd, let
d
be the
smallest odd prime that does not divide
n
. Then write
n
=
(
dn
)

((
d

1
)
n
)
. The
number
dn
contains exactly one more prime factor than
n
. As for
(
d

1
)
n
, it is
divisible by 2 because
d

1 is even. Its odd factors are less than
d
, so they all
divide
n
. Therefore
(
d

1
)
n
also contains exactly one more prime factor than
n
,
and
dn
and
(
d

1
)
n
have the same number of prime factors.
Problem 1.2.8.
Let p be a prime number. Find all k

Z
, k
=
0
, such that
k
2

pk is a positive integer.
(1997 Spanish Mathematical Olympiad)
Solution.
We will use the following simple but important property: If
ab
is a
square and
a
and
b
are coprime, then
a
and
b
are both squares.
The values are
k
=
(
p
+
1
)
2
/
4 for
p
odd (and none for
p
=
2).
We first rule out the case that
k
is divisible by
p
: if
k
=
np
, then
k
2

pk
=
p
2
n
(
n

1
)
. Since
n
and
n

1 are consecutive, they are coprime, and by the lemma
above they are both squares. However, the only consecutive squares are 0 and 1,
so this gives
k
=
p
and
k
2

pk
=
0, which is not positive.
We thus assume that
k
and
p
are coprime, in which case
k
and
k

p
are
coprime. Thus
k
2

pk
=
k
(
k

p
)
is a square if and only if
k
and
k

p
are
squares, say
k
=
m
2
and
k

p
=
n
2
. Then
p
=
m
2

n
2
=
(
m
+
n
)(
m

n
)
,
which implies
m
+
n
=
p
,
m

n
=
1 and hence
k
=
(
p
+
1
)
2
/
4. Since
k
must
be an integer, this forces
p
to be odd.
Problem 1.2.9.
Let p
>
5
be a prime number and
X
= {
p

n
2
|
n

N
,
n
2
<
p
}
.


16

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   ...   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