Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet52/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   48   49   50   51   52   53   54   55   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
Problem 6.1.8.
Let an integer
n
>
1 be factored into primes:
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
m
m
(
p
i
distinct) and let its own positive integral exponents be factored similarly. The
process is to be repeated until it terminates with a unique “constellation” of prime
numbers. For example, the constellation for 192 is 192
=
2
2
2
·
3
·
3 and for 10000
is 10000
=
2
2
2
·
5
2
. Call an arithmetic function
g
generally multiplicative if
g
(
ab
)
=
g
(
a
)
g
(
b
)
whenever the constellations for
a
and
b
have no prime in
common.
(1) Prove that every multiplicative function is generally multiplicative. Is the
converse true?
(2) Let
h
be an additive function (i.e.,
h
(
ab
)
=
h
(
a
)
+
h
(
b
)
whenever
gcd
(
a
,
b
)
=
1). Call a function
k
generally additive if
k
(
ab
)
=
k
(
a
)
+
k
(
b
)
whenever the constellations for
a
and
b
have no prime in common. Prove that
every additive function is generally additive. Is the converse true?
(American Mathematical Monthly)
6.2
Number of Divisors
For a positive integer
n
denote by
τ(
n
)
the number of its divisors. It is clear that
τ(
n
)
=
d
|
n
1
,
that is,
τ
is the summation function of the multiplicative function
f
(
m
)
=
1,
m

Z

+
. Applying Theorem 6.1.2, it follows that
τ
is multiplicative.
Theorem 6.2.1.
If n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
is the prime factorization of n, then
τ(
n
)
=

1
+
1
)
· · ·

k
+
1
).
(
4
)
Proof.
Using the fact that
τ
is multiplicative, we have
τ(
n
)
=
τ(
p
α
1
1
)
· · ·
τ(
p
α
k
k
)
=

1
+
1
)
· · ·

k
+
1
),
because
p
α
i
i
has exactly
α
i
+
1 divisors,
i
=
1
, . . . ,
k
.
Problem 6.2.1.
(1) For any n

1
,
n
m
=
1
τ(
m
)
=
n
k
=
1
#
n
k
$
.
(2) For any n

1
,
τ(
n
)
=
n
k
=
1
#
n
k
$

#
n

1
k

.


6.2. Number of Divisors
113
(3) Prove the formula
1
n
log
n
n
m
=
1
τ(
m
)
=
1
.
Solution.
(1) Note that since
k
is a divisor of exactly
n
/
k
of the numbers
{
1
,
2
, . . .
,
n
}
, we have
n
k
=
1
#
n
k
$
=
n
m
=
1
τ(
m
).
(2) Note that
#
n
k
$

#
n

1
k
$
=
1 if
k
|
n
,
0 otherwise.
Hence
n
k
=
1
#
n
k
$

#
n

1
k
$
=
k
|
n
1
=
τ(
n
).
Alternatively, we can derive this formula by taking a difference of the relation
in (1).
(3) Using the inequalities
x

1
<
x

x
, from the relation in (1) we get
n
k
=
1
1
k

1
<
1
n
n
m
=
1
τ(
m
)

n
k
=
1
1
k
,
i.e.,
n
k
=
1
1
k

log
n
+
log
n

1
<
1
n
n
m
=
1
τ(
m
)

n
k
=
1
1
k

log
n
+
log
n
,
and the formula follows by dividing by log
n
.
Remark.
It is clear that
n
is a prime if and only if
τ(
n
)
=
2. Hence
n
k
=
1
#
n
k
$

#
n

1
k
$
=
2
if and only if
n
is a prime.
Problem 6.2.2.
Find all positive integers d that have exactly
16
positive integral
divisors d
1
,
d
2
, . . . ,
d
16
such that
1
=
d
1
<
d
2
<
· · ·
<
d
16
=
d
,
d
6
=
18
, and d
9

d
8
=
17
.
(1998 Irish Mathematical Olympiad)


114
I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
Solution.
Let
d
=
p
α
1
1
p
α
2
2
· · ·
p
α
m
m
with
p
1
, . . . ,
p
m
distinct primes. Then
d
has
(
a
1
+
1
)(
a
2
+
1
)
· · ·
(
a
m
+
1
)
divisors. Since 18
=
2
·
3
2
, it has 6 divisors: 1, 2, 3, 6,
9, 18. Since
d
has 16 divisors, we know that
d
=
2
·
3
3
p
or
d
=
2
·
3
7
. If
d
=
2
·
3
7
,
then
d
8
=
54,
d
9
=
81, and
d
9

d
8
=
17. Thus
d
=
2
·
3
3
p
for some prime
p
>
18. If
p
<
27, then
d
7
=
p
,
d
8
=
27,
d
9
=
2
p
=
27
+
17
+
44

p
=
22,
a contradiction. Thus
p
>
27. If
p
<
54, then
d
7
=
27,
d
8
=
p
,
d
9
=
54
=
d
8
+
17

p
=
37. If
p
>
54, then
d
7
=
27,
d
8
=
54,
d
9
=
d
8
+
17
=
71. We
obtain two solutions to the problem: 2
·
3
3
·
37
=
1998 and 2
·
3
3
·
71
=
3834.
Problem 6.2.3.
For how many (a) even and (b) odd numbers n does n divide
3
12

1
, yet n does not divide
3
k

1
for k
=
1
,
2
, . . . ,
11
?
(1995 Austrian Mathematical Olympiad)
Solution.
We note that
3
12

1
=
(
3
6

1
)(
3
6
+
1
)
=
(
3
2

1
)(
3
4
+
3
2
+
1
)(
3
2
+
1
)(
3
4

3
2
+
1
)
=
(
2
3
)(
7
·
13
)(
2
·
5
)(
73
).
Recall that the number of divisors of
p
e
1
1
· · ·
p
e
k
k
is
(
e
1
+
1
)
· · ·
(
e
k
+
1
)
. There-
fore 3
12

1 has 2
·
2
·
2
·
2
=
16 odd divisors and 4
·
16
=
64 even divisors.
If 3
12

1
(
mod
m
)
for some integer
m
, then the smallest integer
d
such
that 3
d

1
(
mod
m
)
divides 12. (Otherwise, we could write 12
=
pq
+
r
with 0
<
r
<
d
and obtain 3
r

1
(
mod
m
)
.) Hence to ensure
n
3
k

1 for
k
=
1
, . . . ,
11, we need only check
k
=
1
,
2
,
3
,
4
,
6. But
3
1

1
=
2
,
3
2

1
=
2
3
,
3
3

1
=
2
·
13
,
3
4

1
=
2
4
·
5
,
3
6

1
=
2
3
·
7
·
13
.
The odd divisors we throw out are 1, 5, 7, 13, 91, while the even divisors are
2
i
for 1

i

4, 2
i
·
5 for 1

i

4, and each of 2
j
·
7, 2
j
·
13, and 2
j
·
7
·
13 for
1

i

3. Since we are discarding 17 even divisors and 5 odd ones, we remain
with 47 even divisors and 11 odd ones.
Problem 6.2.4.
Let
τ(
n
)
denote the number of divisors of the natural number n.
Prove that the sequence
τ(
n
2
+
1
)
does not become strictly increasing from any
given point onward.
(1998 St. Petersburg City Mathematical Olympiad)


6.3. Sum of Divisors
115
Solution.
We first note that for
n
even,
τ(
n
2
+
1
)

n
. Indeed, exactly half of the
divisors of
n
2
+
1 are less than
n
, and all are odd, so there are at most 2
(
n
/
2
)
in
all.
Now if
τ(
n
2
+
1
)
becomes strictly increasing for
n

N
, then
τ((
n
+
1
)
2
+
1
)

τ(
n
2
+
1
)
+
2
for
n

N
(since
τ(
k
)
is even for
k
not a perfect square). Thus
τ(
n
2
+
1
)

τ(
N
2
+
1
)
+
2
(
n

N
)
, which exceeds
n
for large
N
, contradiction.
Additional Problems
Problem 6.2.5.
Does there exist a positive integer such that the product of its
proper divisors ends with exactly 2001 zeros?
(2001 Russian Mathematical Olympiad)
Problem 6.2.6.
Prove that the number of divisors of the form 4
k
+
1 of each
positive integer is not less than the number of its divisors of the form 4
k
+
3.
Problem 6.2.7.
Let
d
1
,
d
2
, . . . ,
d
l
be all positive divisors of a positive integer. For
each
i
=
1
,
2
, . . . ,
l
denote by
a
i
the number of divisors of
d
i
. Then
a
3
1
+
a
3
2
+ · · · +
a
3
l
=
(
a
1
+
a
2
+ · · · +
a
l
)
2
.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   48   49   50   51   52   53   54   55   ...   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