Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet80/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   76   77   78   79   80   81   82   83   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

1.2. Prime Numbers
223
Solution.
Let us define
A
n

1
=
p
1
p
2
· · ·
p
n

1
and
a
k
=
k A
n

1

p
n
for 1

k

p
n

1. Observe that these numbers are relatively prime. Indeed, a prime common
divisor of
a
k
1
and
a
k
2
would divide
(
k
1

k
2
)
A
n

1
, and since gcd
(
a
k
1
,
p
n
)
=
1,
this divisor would be one of
p
1
, . . . ,
p
n

1
, which is clearly impossible. Of course,
this implies that
a
k

p
n
+
k
(since
a
k
is relatively prime to
p
1
, . . . ,
p
n

1
). Thus
for
k
=
p
n

1 we have
A
n

A
n

1

p
n
>
p
p
n
+
n

1
, and so
p
1
p
2
· · ·
p
n
>
p
p
n
+
n

1
>
p
3
n

1
for
n

5. From here we find that for
n

6 we have
p
1
· · ·
p
n
>
p
1
· · ·
p
n
2
2
>
p
2
3
n
2

1
>
p
2
n
+
1
. In the last inequality it is neces-
sary to have
n
2

5, that is,
n

10. Let us remark that checking cases shows
that this inequality holds for
n

6. For
n
=
5 one can easily check the inequality.
Problem 1.2.14.
Show that there exists a set A of positive integers with the fol-
lowing property: for any infinite set S of primes, there exist two positive integers
m

A and n

A each of which is a product of k distinct elements of S for some
k

2
.
(35th International Mathematical Olympiad)
Solution.
There are several constructions for such
A
, involving different ideas
about the decomposition of integers.
First example.
Let
p
1
<
p
2
<
· · ·
<
p
n
<
· · ·
be the increasing sequence of all
prime numbers. Define
A
as the set of numbers of the form
p
i
1
p
i
2
· · ·
p
i
k
where
i
1
<
i
2
<
· · ·
<
i
k
and
k
=
p
i
1
. For example, 3
·
5
·
7

A
; 3
·
11
·
13

A
and
5
·
7
·
11

A
; 3
·
5
·
7
·
11

A
.
We will see that
A
satisfies the required condition. Let
S
be an infinite set of
prime numbers, say
q
1
<
q
2
<
· · ·
<
q
n
<
· · ·
. Take
m
=
q
1
q
2
· · ·
q
q
1
and
n
=
q
1
q
2
· · ·
q
q
1
+
1
. Then
m

A
and
n

A
.
Second example.
Define
A
=
5

i
=
1
A
i
, where
A
i
is the set of numbers that
are the product of
i
+
1 distinct primes that are different from
p
i
. For example,
3
·
5
·
7

A
2
, 2
·
3
·
7
·
11

A
3
and 2
·
3
·
7

A
2
, 3
·
5
·
7
·
13

A
3
.
Let
S
be an infinite set of prime numbers, say
q
1
<
q
2
<
· · ·
<
q
n
<
· · ·
.
Suppose that
q
1
=
p
i
1
. If
i
1
>
1, note that
i
1
=
k
. Then
n
=
q
1
q
2
· · ·
q
k
+
1

A
,
because it contains a prime factor
q
1
=
p
i
1
=
p
k
. The number
m
=
q
2
q
3
· · ·
q
k
+
2
contains
k
+
1 factors, all different from
p
k
=
q
1
. Thus
m

A
. If
i
1
=
1, take
k
=
i
2
, and the same construction will answer the question.
Third example.
Let
P
be the set of all positive primes and let
P
1

P
2
⊂ · · · ⊂
P
n
⊂ · · ·
be a nested sequence of finite distinct subsets of
P
such that
P
=
5

i
=
1
P
i
. Define
A
to be the set of elements of the form
a
=
p
1
p
2
· · ·
p
k
,
where
k
=
i
1
<
i
2
<
· · ·
<
i
k
and
p
1

P
i
1
\
P
i
1

1
,
p
2

P
i
2
, . . . ,
p
k

P
i
k
.


224
II Solutions, 1. Divisibility
Let
S
be an infinite set of prime numbers and let
S
i
=
S

P
i
. Since
S
=
5

i
=
1
S
i
, there must be infinitely many indices
i
>
1 such that
S
i

1
=
S
i
. Let
i
m
be the
m
th such index. Then since
S
i
m

S
i
m
+
1
=
S
i
m
+
1
, we see that
S
i
1

S
i
2

· · · ⊂
S
i
m
⊂ · · ·
is an infinite nested subsequence of distinct sets.
Suppose that
S
i
n
=
S
i
n
+
1
= · · · =
S
i
n
+
1

1

S
i
n
+
1
. Set
i
1
=
k
>
1 and choose
p
1

S
i
1
\
S
i
1

1
,
p
2

S
i
2
\
S
i
2

1
, . . . ,
p
k

S
i
k
\
S
i
k

1
, and
p
k
+
1

S
i
k
+
1
\
S
i
k
.
Then
m
=
p
1
p
2
· · ·
p
k

A
and
n
=
p
2
p
3
· · ·
p
k
+
1

A
because
p
2

S
i
1
=
S
k
.
Problem 1.2.15.
Let n be an integer, n

2
. Show that if k
2
+
k
+
n is a prime
number for every integer k,
0

k


n
/
3
, then k
2
+
k
+
n is a prime number
for any k,
0

k

n

2
.
(28th International Mathematical Olympiad)
Solution.
It is not difficult to verify the property for
n
=
2
,
3, so we may suppose
n

5. Assume the contrary. Then there is some number

n
/
3
<
m

n

2
such that
m
2
+
m
+
n
is composite and
k
2
+
k
+
n
is prime for
k
<
m
. Note
that
(

k

1
)
2
+
(

k

1
)
+
n
=
k
2
+
k
+
n
. Therefore
k
2
+
k
+
n
is prime
for

m

k
<
m
. Let
m
2
+
m
+
n
=
ab
be a nontrivial decomposition such
that 1
<
a

b
. Since
n
<
3
m
2
,
ab
=
m
2
+
m
+
n
<
4
m
2
+
m
< (
2
m
+
1
)
2
.
Therefore
a
<
2
m
+
1 and

m

m

a
<
m
. Therefore
(
m

a
)
2
+
(
m

a
)
+
n
is a prime number. However,
(
m

a
)
2
+
(
m

a
)
+
n
=
m
2
+
m
+
n
+
a
(
a

2
m

1
)
=
a
(
b
+
a

2
m

1
).
It follows that
b
+
a

2
m

1
=
1 or
a
+
b
=
2
(
m
+
1
)
. By the AM–GM
inequality,
m
2
+
m
+
n
=
ab

(
a
+
b
)
2
4
=
(
m
+
1
)
2
=
m
2
+
2
m
+
1
;
hence
n

m
+
1, contradicting the choice of
m

n

2.
Remark.
The problem is related to the famous example of Euler of a polynomial
generator of primes:
x
2
+
x
+
41 produces primes for 0

x

39. The problem
shows that it suffices to check the primality only for the first four values of
x
.
Problem 1.2.16.
A sequence q
1
,
q
2
, . . .
of primes satisfies the following condi-
tion: for n

3
, q
n
is the greatest prime divisor of q
n

1
+
q
n

2
+
2000
. Prove that
the sequence is bounded.
(2000 Polish Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
b
n
=
max
{
q
n
,
q
n
+
1
}
for
n

1. We first prove that
b
n
+
1

b
n
+
2002
for all such
n
. Certainly
q
n
+
1

b
n
, so it suffices to show that
q
n
+
2

b
n
+
2002.
If either
q
n
or
q
n
+
1
equals 2, then we have
q
n
+
2

q
n
+
q
n
+
1
+
2000
=
b
n
+
2002.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   76   77   78   79   80   81   82   83   ...   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