Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet75/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   71   72   73   74   75   76   77   78   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

9.3. Sequences of Integers
195
Problem 9.3.32.
Define the sequence
{
x
n
}
n

0
by
x
0
=
0 and
x
n
=





x
n

1
+
3
r
+
1

1
2
,
if
n
=
3
r
(
3
k
+
1
),
x
n

1

3
r
+
1
+
1
2
,
if
n
=
3
r
(
3
k
+
2
),
where
k
and
r
are nonnegative integers. Prove that every integer appears exactly
once in this sequence.
(1999 Iranian Mathematical Olympiad)
Problem 9.3.33.
Suppose that
a
1
,
a
2
, . . .
is a sequence of natural numbers such
that for all natural numbers
m
and
n
, gcd
(
a
m
,
a
n
)
=
a
gcd
(
m
,
n
)
. Prove that there
exists a sequence
b
1
,
b
2
, . . .
of natural numbers such that
a
n
=
d
|
n
b
d
for all
integers
n

1.
(2001 Iranian Mathematical Olympiad)



10
Problems Involving
Binomial Coefficients
10.1
Binomial Coefficients
One of the main problems leading to the consideration of binomial coefficients is
the expansion of
(
a
+
b
)
n
, where
a
,
b
are complex numbers and
n
is a positive
integer. It is well known that
(
a
+
b
)
n
=
n
0
a
n
+
n
1
a
n

1
b
+ · · · +
n
n

1
ab
n

1
+
n
n
b
n
,
where
n
k
=
n
!
k
!
(
n

k
)
!
,
k
=
0
,
1
, . . . ,
n
with the convention 0
! =
1. The integers
n
0
,
n
1
, . . . ,
n
n
are called
binomial coefficients
. They can be obtained recursively
by using
Pascal’s
1
triangle
,
1
1
1
1
2
1
1
3
3
1
1
4
6
4
1
1
5
10
10
5
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
in which every entry different from 1 is the sum of the two entries above and
adjacent to it.
The fundamental properties of the binomial coefficients are the following:
1
Blaise Pascal (1623–1662) was a very influential French mathematician and philosopher who
contributed to many areas of mathematics.
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_10, 
197


198
I Fundamentals, 10. Problems Involving Binomial Coefficients
(1) (symmetry)
n
k
=
n
n

k
;
(2) (Pascal’s triangle property)
n
k
+
1
=
n

1
k
+
1
+
n

1
k
;
(3) (monotonicity)
n
0
<
n
1
<
· · ·
<
n
#
n

1
2
$
+
1
=
n
n
2
;
(4) (sum of binomial coefficients)
n
0
+
n
1
+ · · · +
n
n
=
2
n
;
(5) (alternating sum)
n
0

n
1
+ · · · +
(

1
)
n
n
n
=
0,
n

1;
(6) (Vandermonde property)
"
k
i
=
0
m
i
n
k

i
=
m
+
n
k
;
(7) If
p
is a prime, then
p
|
p
k
,
k
=
1
, . . . ,
p

1.
Problem 10.1.1.
Let n be an odd positive integer. Prove that the set
n
1
,
n
2
, . . . ,
n
n

1
2
contains an odd number of odd numbers.
Solution.
For
n
=
1 the claim is clear, so let
n

3.
Define
S
n
=
n
1
+
n
2
+ · · · +
n
n

1
2
. Then
2
S
n
=
n
1
+
n
2
+ · · · +
n
n

1
=
2
n

2
,
or
S
n
=
2
n

1

1. Because
S
n
is odd it follows that the sum
S
n
contains an odd
number of odd terms, as desired.
Problem 10.1.2.
Determine all positive integers n

3
such that
2
2000
is divisible
by
1
+
n
1
+
n
2
+
n
3
.
(1998 Chinese Mathematical Olympiad)
Solution.
The solutions are
n
=
3
,
7
,
23. Since 2 is a prime,
1
+
n
1
+
n
2
+
n
3
=
2
k
for some positive integer
k

2000. We have
1
+
n
1
+
n
2
+
n
3
=
(
n
+
1
)(
n
2

n
+
6
)
6
,


10.1. Binomial Coefficients
199
i.e.,
(
n
+
1
)(
n
2

n
+
6
)
=
3
×
2
k
+
1
. Let
m
=
n
+
1; then
m

4 and
m
(
m
2

3
m
+
8
)
=
3
×
2
k
+
1
. We consider the following two cases:
(a)
m
=
2
s
. Since
m

4,
s

2. We have
2
2
s

3
×
2
s
+
8
=
m
2

3
m
+
8
=
3
×
2
t
for some positive integer
t
. If
s

4, then
8

3
×
2
t
(
mod 16
)

2
t
=
8

m
2

3
m
+
8
=
24

m
(
m

3
)
=
16
,
which is impossible. Thus either
s
=
3,
m
=
8,
t
=
4,
n
=
7, or
s
=
2,
m
=
4,
t
=
2,
n
=
3.
(b)
m
=
3
×
2
u
. Since
m

4,
m
>
4 and
u

1. We have
9
×
2
2
u

9
×
2
u
+
8
=
m
2

3
m
+
8
=
2
v
for some positive integer
v
. It is easy to check that there is no solution for
v
when
u
=
1
,
2. If
u

4, we have 8

2
v
(
mod 16
)

v
=
3 and
m
(
m

3
)
=
0,
which is impossible. So
u
=
3,
m
=
3
×
2
3
=
24,
v
=
9,
n
=
23.
Problem 10.1.3.
Let m and n be integers such that
1

m

n. Prove that m is a
divisor of
n
m

1
k
=
0
(

1
)
k
n
k
.
(2001 Hungarian Mathematical Olympiad)
Solution.
We can write the given expression as follows:
n
m

1
k
=
0
(

1
)
k
n
k
=
n
m

1
k
=
0
(

1
)
k
n

1
k
+
n

1
k

1
=
n
m

1
k
=
0
(

1
)
k
n

1
k
+
n
m

1
k
=
1
(

1
)
k
n

1
k

1
=
n
m

1
k
=
0
(

1
)
k
n

1
k

n
m

2
k
=
0
(

1
)
k
n

1
k
=
n
(

1
)
m

1
n

1
m

1
=
m
(

1
)
m

1
n
m
.
The final expression is clearly divisible by
m
.


200
I Fundamentals, 10. Problems Involving Binomial Coefficients
Problem 10.1.4.
Show that for any positive integer n, the number
S
n
=
2
n
+
1
0
·
2
2
n
+
2
n
+
1
2
·
2
2
n

2
·
3
+ · · · +
2
n
+
1
2
n
·
3
n
is the sum of two consecutive perfect squares.
(1999 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
It is easy to see that:
S
n
=
1
4
7
(
2
+

3
)
2
n
+
1
+
(
2


3
)
2
n
+
1
8
.
The required property says that there exists
k
>
0 such that
S
n
=
(
k

1
)
2
+
k
2
,
or, equivalently,
2
k
2

2
k
+
1

S
n
=
0
.
The discriminant of this equation is

=
4
(
2
S
n

1
)
, and, using
1
+

3

2
2
=
2
+

3, after the usual computations, we obtain

=
(
1
+

3
)
2
n
+
1
+
(
1


3
)
2
n
+
1
2
n
2
.
After solving the equation, we find that
k
=
2
n
+
1
+
(
1
+

3
)
2
n
+
1
+
(
1


3
)
2
n
+
1
2
n
+
2
.
Therefore, it is sufficient to prove that
k
is an integer. Let us set
E
m
=
(
1
+

3
)
m
+
(
1


3
)
m
, where
m
is a positive integer. Clearly,
E
m
is an integer. We
shall prove that 2
m
2
divides
E
m
. For
E
0
=
2,
E
1
=
2,
E
2
=
8, the assertion is
true. Moreover, the numbers
E
m
satisfy the relation
E
m
=
2
E
m

1
+
2
E
m

2
.
The property now follows by induction.
Problem 10.1.5.
Prove that for every pair m
,
k of natural numbers, m has a
unique representation in the form
m
=
a
k
k
+
a
k

1
k

1
+ · · · +
a
t
t
,
where
a
k
>
a
k

1
>
· · ·
>
a
t

t

1
.
(1996 Iranian Mathematical Olympiad)



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   71   72   73   74   75   76   77   78   ...   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