Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet117/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   113   114   115   116   117   118   119   120   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
might try to see whether this number divides 12
2
15
+
1. Let
q
=
2
16
+
1. Then
12
2
15
+
1
=
2
q

1
·
3
q

1
2
+
1

3
q

1
2
+
1
(
mod
q
).
It remains to see whether
(
3
/
q
)
= −
1. The answer is positive (use the quad-
ratic reciprocity law), so indeed 3
(
q

1
)/
2
+
1

0
(
mod 2
)
and 2
16
+
1 is the
smallest prime factor of the number 12
2
15
+
1.
9.2
Special Numbers
9.2.1
Fermat Numbers
Problem 9.2.4.
Find all positive integers n such that
2
n

1
is a multiple of
3
and
2
n

1
3
is a divisor of
4
m
2
+
1
for some integer m.
(1999 Korean Mathematical Olympiad)
Solution.
The answer is all
n
=
2
k
, where
k
=
1
,
2
, . . .
.
First observe that 2
≡ −
1
(
mod 3
)
. Hence 3
|
2
n

1 if and only if
n
is even.
Suppose, by way of contradiction, that
l

3 is a positive odd divisor of
n
.
Then 2
l

1 is not divisible by 3 but it is a divisor of 2
n

1, so it is a divisor of
4
m
2
+
1 as well. On the other hand, 2
l

1 has a prime divisor
p
of the form 4
r
+
3.
Then
(
2
m
)
2
≡ −
1
(
mod 4
r
+
3
)
, but we have that a square cannot be congruent
to

1 modulo a prime of the form 4
r
+
3 (see also Problem 1 in Section 7.1).
Therefore,
n
is indeed of the form 2
k
for
k

1. For such
n
, we have
2
n

1
3
=
(
2
2
1
+
1
)(
2
2
2
+
1
)(
2
2
3
+
1
)
· · ·
(
2
2
k

1
+
1
).
The factors on the right side are all relatively prime, since they are Fermat
numbers. Therefore by the Chinese remainder theorem, there is a positive integer
c
simultaneously satisfying
c

2
2
i

1
(
mod 2
2
i
+
1
)
for all
i
=
1
,
2
, . . . ,
k

1
and
c

0
(
mod 2
)
. Putting
c
=
2
m
, 4
m
2
+
1 is a multiple of
2
n

1
3
, as desired.
Problem 9.2.5.
Prove that the greatest prime factor of f
n
, n

2
, is greater than
2
n
+
2
(
n
+
1
)
.
(2005 Chinese International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
From Problem 9.2.3 we can write
f
n
=
s
i
=
1
(
1
+
2
n
+
2
r
i
)
k
i
,
(
1
)


9.2. Special Numbers
333
where
p
i
=
1
+
2
n
+
2
r
i
are distinct primes and
k
i

1. Taking relation (1) modulo
4
n
+
2
, it follows that
0

s
i
=
1
k
i
r
i
(
mod 2
n
+
2
),
and hence
s
i
=
1
k
i
r
i

2
n
+
2
.
From (1) it is clear that
f
n

(
1
+
2
n
+
2
)
k
1
+···+
k
s
;
hence
k
1
+ · · · +
k
s

lg
(
1
+
2
2
n
)
lg
(
1
+
2
n
+
2
)
,
where lg
x
is log
2
x
.
It follows that
2
n
+
2

max
1

i

s
r
i
s
j
=
1
k
j

max
1

i

s
r
i
lg
(
1
+
2
2
n
)
lg
(
1
+
2
n
+
2
)
.
Assume that
max
1

i

s
r
i

n
. Applying the last inequality, we get
2
n
+
2

n
lg
(
1
+
2
2
n
)
lg
(
1
+
2
n
+
2
)
<
n
lg
(
1
+
2
2
n
)
(
n
+
2
)
lg 2
,
i.e.,
n
+
2
n
·
2
n
+
2
<
log
2
(
1
+
2
2
n
),
hence 2
2
n
+
2
<
1
+
2
2
n
, a contradiction. Therefore max
1

i

s
r
i

n
+
1, and
max
1

i

s
p
i
>
2
n
+
2
(
n
+
1
)
.
9.2.2
Mersenne Numbers
Problem 9.2.7.
Let P

denote the set of all odd primes less than
10000
, and
suppose p

P

. For each subset S
= {
p
1
,
p
2
, . . . ,
p
k
}
of P

, with k

2
and
not including p, there exists a q

P

\
S such that
(
q
+
1
)
|
(
p
1
+
1
)(
p
2
+
1
)
· · ·
(
p
k
+
1
).
Find all such possible values of p.
(1999 Taiwanese Mathematical Olympiad)


334
II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
Solution.
Direct calculation shows that the set
T
of Mersenne primes less that
10000 is
{
M
2
,
M
3
,
M
5
,
M
7
,
M
13
} = {
3
,
7
,
31
,
127
,
8191
}
.
The number 2
11

1 is not prime; it equals 23
·
89. We claim that this is the set of
all possible values of
p
.
If some prime
p
is not in
T
, then look at the set
S
=
T
. Then there must be
some prime
q

S
less than 10000 such that
(
q
+
1
)
|
(
M
2
+
1
)(
M
3
+
1
)(
M
5
+
1
)(
M
7
+
1
)(
M
13
+
1
)
=
2
30
.
Thus,
q
+
1 is a power of 2 and
q
is a Mersenne prime less than 10000, and
therefore
q

T
=
S
, a contradiction.
On the other hand, suppose
p
is in
T
. Suppose we have a set
S
= {
p
1
,
p
2
, . . .
,
p
k
} ⊆
P

not including
p
, with
k

2 and
p
1
<
p
2
<
· · ·
<
p
k
. Suppose, by
way of contradiction that for all
q

P

such that
(
q
+
1
)
|
(
p
1
+
1
)
· · ·
(
p
k
+
1
)
,
we have
q

S
. Then
4
|
(
p
1
+
1
)(
p
2
+
1
)

M
2

S
,
8
|
(
M
2
+
1
)(
p
2
+
1
)

M
3

S
,
32
|
(
M
2
+
1
)(
M
3
+
1
)

M
5

S
,
128
|
(
M
2
+
1
)(
M
5
+
1
)

M
7

S
,
8192
|
(
M
3
+
1
)(
M
5
+
1
)(
M
7
+
1
)

M
13

S
.
Then
p
, a Mersenne prime under 10000, must be in
S
, a contradiction. There-
fore there is some prime
q
<
10000 not in
S
with
q
+
1
|
(
p
1
+
1
)
· · ·
(
p
k
+
1
)
,
as desired. This completes the proof.
9.2.3
Perfect Numbers
Problem 9.2.9.
Prove that if n is an even perfect number, then
8
n
+
1
is a perfect
square.
Solution.
From Problem 1, we have
n
=
m
(
m
+
1
)
2
for some positive integer
m
;
hence
8
n
+
1
=
4
m
(
m
+
1
)
+
1
=
(
2
m
+
1
)
2
.
Problem 9.2.10.
Show that if k is an odd positive integer, then
2
k

1
M
k
can be
written as the sum of the cubes of the first
2
k

1
2
odd positive integers. In particular,
any perfect number has this property.
Solution.
Standard summation formulas verify that
n
i
=
1
(
2
i

1
)
3
=
n
2
(
2
n
2

1
).


9.3. Sequences of Integers
335
With
n
=
2
k

1
2
, the right-hand side becomes 2
k

1
(
2
k

1
)
; that is, 2
k

1
M
k
,
and we are done.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   113   114   115   116   117   118   119   120   ...   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