Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 Nonstandard Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet116/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   112   113   114   115   116   117   118   119   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

8.3. Nonstandard Diophantine Equations
327
so
(
a
+
1
)
|
b
and
a
is even. On the other hand, taking the first equation mod
a
2
after applying the binomial expansion yields
1

c
1
a
+
1
(
mod
a
2
),
so
c
is divisible by
a
and is even as well. Write
a
=
2
a
1
and
c
=
2
c
1
. Then
2
b
a
b
1
=
a
b
=
(
a
+
1
)
c

1
=
((
a
+
1
)
c
1

1
)((
a
+
1
)
c
1
+
1
).
It follows that gcd
((
a
+
1
)
c
1

1
, (
a
+
1
)
c
1
+
1
)
=
2. Therefore, using the fact
that 2
a
1
is a divisor of
(
a
+
1
)
c
1

1, we may conclude that
(
a
+
1
)
c
1

1
=
2
a
b
1
(
a
+
1
)
c
1
+
1
=
2
b

1
.
We must have 2
b

1
>
2
a
b
1

a
1
=
1. Then these equations give
c
1
=
1 and
b
=
3. Therefore the only solution is
(
x
,
y
,
z
)
=
(
1
,
2
,
1
)
.



9
Some Special Problems in
Number Theory
9.1
Quadratic Residues; the Legendre Symbol
Problem 9.1.7.
Let f
,
g
:
Z
+

Z
+
be functions with the following properties:
(i) g is surjective;
(ii)
2
f
2
(
n
)
=
n
2
+
g
2
(
n
)
for all positive integers n.
If, moreover,
|
f
(
n
)

n
| ≤
2004

n for all n, prove that f has infinitely many
fixed points.
(2005 Moldavian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
Let
p
n
be the sequence of prime numbers of the form 8
k
+
3. There are
infinitely many such integers. This is a trivial consequence of Dirichlet’s theorem,
but you can find an elementary proof at the end of solution to Problem 9.1.8. It is
obvious that for all
n
we have
2
p
n
=
(

1
)
p
2
n

1
8
= −
1
.
Using the condition (i) we can find
x
n
such that
g
(
x
n
)
=
p
n
for all
n
. It follows
that 2
f
2
(
x
n
)
=
x
2
n
+
p
2
n
, which can be rewritten as 2
f
2
(
x
n
)

x
2
n
(
mod
p
n
)
.
Because
2
p
n
= −
1, the last congruence shows that
p
n
|
x
n
and
p
n
|
f
(
x
n
)
. Thus
there exist sequences of positive integers
a
n
,
b
n
such that
x
n
=
a
n
p
n
,
f
(
x
n
)
=
b
n
p
n
for all
n
. Clearly, (ii) implies the relation 2
b
2
n
=
a
2
n
+
1. Finally, using the
property
|
f
(
n
)

n
| ≤
2004

n
, we infer that
2004

x
n

f
(
x
n
)
x
n

1
=
b
n
a
n

1
,
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_20, 
329


330
II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
that is,
lim
n
→∞
a
2
n
+
1
a
n
=

2
.
The last relation immediately implies that lim
n
→∞
a
n
=
1. Therefore, starting
from a certain
n
, we have
a
n
=
1
=
b
n
, that is,
f
(
p
n
)
=
p
n
. The conclusion now
follows.
Problem 9.1.8.
Suppose that the positive integer a is not a perfect square. Then
a
p
= −
1
for infinitely many primes p.
Solution.
One may assume that
a
is square-free. Let us write
a
=
2
e
q
1
q
2
· · ·
q
n
,
where
q
i
are distinct odd primes and
e
∈ {
0
,
1
}
. Let us assume first that
n

1
and consider some odd distinct primes
r
1
, . . . ,
r
k
each of them different from
q
1
, . . . ,
q
n
. We will show that there exists a prime
p
, different from
r
1
, . . . ,
r
k
,
such that
a
p
= −
1. Let
s
be a quadratic nonresidue modulo
q
n
.
Using the Chinese remainder theorem, we can find a positive integer
b
such
that







b

1
(
mod
r
i
),
1

i

k
,
b

1
(
mod 8
),
b

1
(
mod
q
i
),
1

i

n

1
,
b

s
(
mod
q
n
).
Now write
b
=
p
1
· · ·
p
m
with
p
i
odd primes, not necessarily distinct. Using
the quadratic reciprocity law, it follows immediately that
m
i
=
1
2
p
i
=
m
i
=
1
(

1
)
p
2
i

1
8
=
(

1
)
b
2

1
8
=
1
and
m
j
=
1
q
i
p
j
=
m
j
=
1
(

1
)
p j

1
2
·
qi

1
2
p
j
q
i
=
(

1
)
qi

1
2
·
b

1
2
b
q
i
=
b
q
i
for all
i
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
}
. Hence
m
i
=
1
a
p
i
=
7
m
j
=
1
2
p
j
8
e n
i
=
1
m
j
=
1
q
i
p
j
=
n
i
=
1
b
q
i
=
b
q
n
=
s
q
n
= −
1
.
Thus, there exists
i
∈ {
1
,
2
, . . . ,
m
}
such that
a
p
i
= −
1. Because
b

1
(
mod
r
i
)
, 1

i

k
, we also have
p
i
∈ {
1
,
2
, . . .
} \ {
r
1
, . . . ,
r
k
}
, and the claim is
proved.


9.1. Quadratic Residues; the Legendre Symbol
331
The only remaining case is
a
=
2. By Theorem 9.1.2,
2
p
= −
1 if and only if
p
2

1
8
is odd, i.e., if and only if
p
≡ ±
3
(
mod 8
)
. Thus we need to show there are
infinitely many primes congruent to
±
3
(
mod 8
)
. Suppose to the contrary that
there are only finitely many such primes
p
1
, . . . ,
p
n
with
p
1
=
3 and consider
N
=
8
p
2
· · ·
p
n
+
3. None of the
p
i
divide
N
and neither does 2. Hence every
prime divisor of
N
must be
±
1
(
mod 8
)
. But this is impossible, since
N

3
(
mod 8
)
. Thus there must be infinitely many primes of this form.
Problem 9.1.9.
Suppose that a
1
,
a
2
, . . . ,
a
2004
are nonnegative integers such that
a
n
1
+
a
n
2
+ · · · +
a
n
2004
is a perfect square for all positive integers n. What is the
maximal possible number of nonzero a
i
’s?
(2004 Mathlinks Contest)
Solution.
Suppose that
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
k
are positive integers such that
a
n
1
+
a
n
2
+
· · · +
a
n
k
is a perfect square for all
n
. We will show that
k
is a perfect square.
In order to prove this, we will use Problem 9.1.8 and show that
k
p
=
1 for all
sufficiently large prime
p
. This is not a difficult task. Indeed, consider a prime
p
greater than any prime divisor of
a
1
a
2
· · ·
a
k
. Using Fermat’s little theorem,
a
p

1
1
+
a
p

1
2
+ · · · +
a
p

1
k

k
(
mod
p
)
, and since
a
p

1
1
+
a
p

1
2
+ · · · +
a
p

1
k
is
a perfect square, it follows that
k
p
=
1. Thus
k
is a perfect square. And now the
problem becomes trivial, since we must find the greatest perfect square smaller
than 2004. A quick computation shows that this is 44
2
=
1936, and so the desired
minimal number is 68.
Problem 9.1.10.
Find all positive integers n such that
2
n

1
|
3
n

1
.
(American Mathematical Monthly)
Solution.
We will prove that
n
=
1 is the only solution to the problem. Suppose
that
n
>
1 is a solution. Then 2
n

1 cannot be a multiple of 3; hence
n
is odd.
Therefore, 2
n

8
(
mod 12
)
. Because any odd prime different from 3 is of one
of the forms 12
k
±
1, 12
k
±
5, and since 2
n

1

7
(
mod 12
)
, it follows that
2
n

1 has at least one prime divisor of the form 12
k
±
5; call it
p
. Obviously,
we must have
(
3
/
p
)
=
1, and using the quadratic reciprocity law we finally
obtain
(
p
/
3
)
=
(

1
)
(
p

1
)/
2
. On the other hand
(
p
/
3
)
=
(
±
2
/
3
)
= −
(
±
1
)
.
Consequently,

(
±
1
)
=
(

1
)
(
p

1
)/
2
= ±
1, which is the desired contradiction.
Therefore the only solution is
n
=
1.
Problem 9.1.11.
Find the smallest prime factor of
12
2
15
+
1
.
Solution.
Let
p
be this prime number. Because
p
|
12
2
16

1, we find that
o
p
(
12
)
|
2
16
. Since 12
2
15
≡ −
1

1
(
mod
p
)
, we find that
o
p
(
12
)
=
2
16
,
and so 2
16
|
p

1. Therefore
p

1
+
2
16
. But it is well known that 2
16
+
1 is a
prime (and if you do not believe it, you can check; it is not that difficult). So, we


332

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   112   113   114   115   116   117   118   119   ...   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