Number Theory: Structures, Examples, and Problems


Basic Principles in Number Theory



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet98/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   94   95   96   97   98   99   100   101   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

5
Basic Principles in Number Theory
5.1
Two Simple Principles
Problem 5.1.7.
Let n
1
<
n
2
<
· · ·
<
n
2000
<
10
100
be positive integers. Prove
that one can find two disjoint subsets A and B of
{
n
1
,
n
2
, . . . ,
n
2000
}
such that
|
A
| = |
B
|
,
x

A
x
=
x

B
x
,
and
x

A
x
2
=
x

B
x
2
.
(2001 Polish Mathematical Olympiad)
Solution.
Given any subset
S
⊆ {
n
1
,
n
2
, . . . ,
n
2000
}
of size 1000, we have
0
<
x

S
x
<
1000
·
10
100
,
0
<
x

S
x
2
<
1000
·
10
200
.
Thus, as
S
varies, there are fewer than
(
1000
·
10
100
)(
1000
·
10
200
)
=
10
306
values of
"
x

S
x
,
"
x

S
x
2
.
Because
"
2000
k
=
0
2000
k
=
2
2000
and
2000
1000
is the biggest term in the sum,
2000
1000
>
2
2000
2001
. There are
2000
1000
>
2
2000
2001
>
10
600
2001
>
10
306
distinct subsets of size 1000. By the pigeonhole principle, there exist distinct sub-
sets
C
and
D
of size 1000 such that
"
x

C
x
2
=
"
x

D
x
2
and
"
x

C
x
=
"
x

D
x
. Removing the common elements from
C
and
D
yields sets
A
and
B
with the required properties.
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_16, 
275


276
II Solutions, 5. Basic Principles in Number Theory
Problem 5.1.8.
Find the greatest positive integer n for which there exist n nonneg-
ative integers x
1
,
x
2
, . . . ,
x
n
, not all zero, such that for any sequence
ε
1
, ε
2
, . . .
,
ε
n
of elements
{−
1
,
0
,
1
}
, not all zero, n
3
does not divide
ε
1
x
1
+
ε
2
x
2
+· · ·+
ε
n
x
n
.
(1996 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
The statement holds for
n
=
9 by choosing 1
,
2
,
2
2
, . . . ,
2
8
, since in
that case
|
ε
1
+ · · · +
ε
9
2
8
| ≤
1
+
2
+ · · · +
2
8
<
9
3
.
However, if
n

10, then 2
10
>
10
3
, so by the pigeonhole principle, there are
two subsets
A
and
B
of
{
x
1
, . . . ,
x
10
}
whose sums are congruent modulo 10
3
. Let
ε
i
=
1 if
x
i
occurs in
A
but not in
B
,

1 if
x
i
occurs in
B
but not in
A
, and 0
otherwise; then
"
ε
i
x
i
is divisible by
n
3
.
Problem 5.1.9.
Given a positive integer n, prove that there exists
ε >
0
such that
for any n positive real numbers a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
, there exists a real number t
>
0
such that
ε <
{
ta
1
}
,
{
ta
2
}
, . . . ,
{
ta
n
}
<
1
2
.
(1998 St. Petersburg City Mathematical Olympiad)
Solution.
More generally, we prove by induction on
n
that for any real number
0
<
r
<
1, there exists 0
< ε <
r
such that for
a
1
, . . . ,
a
n
any positive real
numbers, there exists
t
>
0 with
{
ta
1
}
, . . . ,
{
ta
n
} ∈
(ε,
r
).
The case
n
=
1 needs no further comment.
Assume without loss of generality that
a
n
is the largest of the
a
i
. By hypoth-
esis, for any
r
>
0 (which we will specify later) there exists
ε
>
0 such that for
any
a
1
, . . . ,
a
n

1
>
0, there exists
t
>
0 such that
{
t
a
1
}
, . . . ,
{
t
a
n

1
} ∈

,
r
).
Let
N
be an integer also to be specified later. A standard argument using the
pigeonhole principle shows that one of
t
a
n
,
2
t
a
n
, . . . ,
N t
a
n
has fractional part
in
(

1
/
N
,
1
/
N
)
. Let
st
a
n
be one such term, and take
t
=
st
+
c
for
c
=
(
r

1
/
N
)/
a
n
. Then
ta
n
− 
st
s
n

(
r

2
/
N
,
r
).
So we choose
N
such that 0
<
r

2
/
N
, thus making
{
ta
n
} ∈
(
r

2
/
N
,
r
)
.
Note that this choice of
N
makes
c
>
0 and
t
>
0, as well.


5.1. Two Simple Principles
277
As for the other
ta
i
, for each
i
we have
k
i
+
ε
<
t
a
i
<
k
i
+
r
for some
integer
k
i
, so
sk
i
+
s
ε
<
st
a
i
<
sk
i
+
sr
and
sk
i
+
ε
< (
st
+
c
)
a
i
<
sk
i
+
sr
+
a
i
(
r

1
/
N
)
a
n

sk
i
+
N r
+
r

1
/
N
.
So we choose
r
such that
N r

1
/
N
<
0, thus making
{
ta
i
} ∈

,
r
)
.
Therefore, letting
ε
=
min
{
r

2
/
N
, ε
}
, we have
0
< ε <
{
ta
1
}
,
{
ta
2
}
, . . . ,
{
ta
n
}
<
r
for any choices of
a
i
. This completes the inductive step, and the claim is true for
all natural numbers
n
.
Problem 5.1.10.
We have
2
n
prime numbers written on the blackboard in a line.
We know that there are fewer than n different prime numbers on the blackboard.
Prove that there is a subsequence of consecutive numbers in that line whose prod-
uct is a perfect square.
Solution.
Suppose that
p
1
,
p
2
, . . . ,
p
m
(
m
<
n
)
are primes that we met in the se-
quence
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
2
n
written on the blackboard. It is enough to prove that there
is a subsequence in which each prime occurs an even number of times. Denote
by
c
i j
the exponent of the prime
p
i
(
1

i

m
)
in the product
a
1
· · ·
a
2
· · ·
a
j
of the first
j
numbers from our sequence. Let
d
i j
be the residue modulo 2 of
c
i j
,
so we can write
c
i j
=
2
t
i j
+
d
i j
,
d
i j
∈ {
0
,
1
}
. Every system
(
d
1
j
,
d
2
j
, . . . ,
d
m j
)
is formed from
m
zeros and ones. The number of possible such systems is 2
m
,
which is less than 2
n
. Hence by the pigeonhole principle there exist two identical
systems
(
d
1
k
,
d
2
k
, . . . ,
d
mk
)
=
(
d
1
l
,
d
2
l
, . . . ,
d
ml
),
1

k
<
l

2
n
.
We have
d
i k
=
d
il
for 1

i

m
, and therefore
c
il

c
i k
=
2
(
t
il

t
i k
)
+
(
d
il

d
i k
)
=
2
(
t
il

t
i k
),
and
c
il

c
i k
is divisible by 2 for 1

i

m
.
Thus the exponent of the
p
i
in the product
a
k
+
1
a
k
+
2
· · ·
a
l
=
a
1
a
2
···
a
l
a
1
a
2
···
a
k
is
equal to
c
il

c
i k
, so every number
p
i
has an even exponent in the product
a
k
+
1
a
k
+
2
· · ·
a
l
. Hence
a
k
+
1
a
k
+
2
· · ·
a
l
is a perfect square.
Problem 5.1.11.
Let x
1
=
x
2
=
x
3
=
1
and x
n
+
3
=
x
n
+
x
n
+
1
x
n
+
2
for all
positive integers n. Prove that for any positive integer m there is an integer k
>
0
such that m divides x
k
.
Solution.
Observe that setting
x
0
=
0, the condition is satisfied for
n
=
0.
We prove that there is an integer
k

m
3
such that
x
k
divides
m
. Let
r
t
be
the remainder of
x
t
when divided by
m
for
t
=
0
,
1
, . . . ,
m
3
+
2. Consider the


278

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   94   95   96   97   98   99   100   101   ...   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