Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet119/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   115   116   117   118   119   120   121   122   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
we have
λ
m
+
μ
m
=
k

m

1
+
μ
m

1
)


m

2
+
μ
m

2
),
leading to an easy proof by induction that
λ
m
+
μ
m
is an integer for all nonnegative
integers
m
. The solution is complete.
9.3.2
Problems Involving Linear Recursive Relations
Problem 9.3.12.
Let a
,
b be integers greater than
1
. The sequence x
1
, x
2
, . . .
is
defined by the initial conditions x
0
=
0
, x
1
=
1
and the recursion
x
2
n
=
ax
2
n

1

x
2
n

2
,
x
2
n
+
1
=
bx
2
n

x
2
n

1
for n

1
. Prove that for any natural numbers m and n, the product x
n
+
m
x
n
+
m

1
· · ·
x
n
+
1
is divisible by x
m
x
m

1
.
(2001 St. Petersburg City Mathematical Olympiad)
Solution.
We will show that
x
m
|
x
km
, and then show that
gcd
(
x
m
,
x
m

1
)
=
1.
First, consider our sequence modulo
x
m
for some
m
. Each
x
k
+
1
is uniquely
determined by
x
k
,
x
k

1
and the parity of
k
. Express each
x
i
as a function
f
i
(
a
,
b
)
.
We have
x
i

f
i
(
a
,
b
)
x
1
(
mod
x
m
)
. Suppose
x
r

0
(
mod
x
m
)
for some
r
.
Since each term is a linear combination of two preceding ones,
x
i
+
r

f
i
(
a
,
b
)
x
r
+
1
(
mod
x
m
)
if
m
is even
,
(1)
x
i
+
r

f
i
(
b
,
a
)
x
r
+
1
(
mod
x
m
)
if
m
is odd
.
(2)
Now we need to prove the following statement.
Lemma.
The function f
i
(
a
,
b
)
is symmetric for any odd i .
Proof.
We will prove also that for
i
even,
f
i
(
a
,
b
)
is a symmetric function multi-
plied by
a
. Now we are to prove that
f
2
k

1
(
a
,
b
)
is symmetric and
f
2
k

2
(
a
,
b
)
=
ag
2
k

2
(
a
,
b
)
, where
g
2
k

2
is symmetric too, for any positive integer
k
. Proceed
by induction on
k
. For
k
=
1 we have
f
1
(
a
,
b
)
=
1 and
g
0
(
a
,
b
)
=
0. Suppose
that
f
2
k

1
(
a
,
b
)
is symmetric and
f
2
k

2
(
a
,
b
)
=
ag
2
k

2
(
a
,
b
)
, where
g
2
k

2
(
a
,
b
)
is symmetric too. Then we can write
f
2
k
(
a
,
b
)
=
x
2
k
=
ax
2
k

1

x
2
k

2
=
a
(
x
2
k

1

g
2
k

2
(
a
,
b
))
=
a
(
f
2
k

1
(
a
,
b
)

g
2
k

2
(
a
,
b
))
and
f
2
k
+
1
(
a
,
b
)
=
x
2
k
+
1
=
abx
2
k

1

bx
2
k

2

x
2
k

1
=
abx
2
k

1

abg
2
k

2

x
2
k

1
=
(
ab

1
)
f
2
k

1
(
a
,
b
)

abg
2
k

2
(
a
,
b
).


9.3. Sequences of Integers
339
Thus
f
2
k
+
1
and
g
2
k
are symmetric too, which completes the step of induction.
Remark.
An alternative proof for lemma is the following. Let
y
n
=

bx
n
for
n
even and
y
n
=

ax
n
for
n
odd. Then one sees that
y
n
=

aby
n

1

y
n

2
for all
n
. It follows that
f
2
n
+
1
=
y
2
n
+
1
/

a
and
g
2
n
=
y
2
n
/(
a

b
)
are symmetric.
Now we are to prove that
x
m
|
x
km
. Proceed by induction on
k
. For
k
=
0 and
k
=
1 this statement is true. Let
x
m
|
x
km
. Then from (1) and (2) putting
r
=
km
and
i
=
m
, we obtain the following. If
km
is even, then
x
m
(
k
+
1
)

f
m
(
a
,
b
)
x
km
+
1

x
m
x
km
+
1

0
(
mod
x
m
).
For
km
odd,
m
is odd too, and
f
m
(
a
,
b
)
=
f
m
(
b
,
a
)
. Hence, we have
x
m
(
k
+
1
)

f
m
(
b
,
a
)
x
km
+
1

f
m
(
a
,
b
)
x
km
+
1

x
m
x
km
+
1

0
(
mod
x
m
).
So, for each pair of nonnegative integers
k
,
m
we have
x
m
|
x
km
.
Since the product
x
n
+
1
x
n
+
2
· · ·
x
n
+
m
has
m
terms, one term’s index is divisi-
ble by
m
and another’s index is divisible by
m

1. Thus both
x
m
and
x
m

1
divide
the product. If we can show that
x
m
is relatively prime to
x
m

1
, we will be done.
We will prove this by induction. For the base case,
x
0
is relatively prime to
x
1
.
Now,
x
2
n
=
ax
2
n

1

x
2
n

2
. Any prime factor common to
x
2
n
and
x
2
n

1
must
also divide
x
2
n

2
, but because
x
2
n

2
is relatively prime to
x
2
n

1
, there is no such
prime factor. A similar argument holds for
x
2
n
+
1
because
x
2
n
+
1
=
bx
2
n

x
2
n

1
.
Thus
x
m
x
m

1
|
(
x
n
+
1
x
n
+
2
· · ·
x
n
+
m
)
.
Problem 9.3.13.
Let m be a positive integer. Define the sequence
{
a
n
}
n

0
by a
0
=
0
, a
1
=
m, and a
n
+
1
=
m
2
a
n

a
n

1
for n

1
. Prove that an ordered pair
(
a
,
b
)
of nonnegative integers, with a

b, is a solution of the equation
a
2
+
b
2
ab
+
1
=
m
2
if and only if
(
a
,
b
)
=
(
a
n
,
a
n
+
1
)
for some n

0
.
(1998 Canadian Mathematical Olympiad)
First solution.
The “if” direction of the claim is easily proved by induction on
n
;
we prove the “only if” direction by contradiction. Suppose, to the contrary, that
there exist pairs satisfying the equation but not of the described form; let
(
a
,
b
)
be such a pair with minimal sum
a
+
b
. We claim that
(
c
,
a
)
=
(
m
2
a

b
,
a
)
is
another such a pair but with smaller sum
c
+
a
, which leads to a contradiction.
Taking cases on the value of
a
:
(a)
a
=
0. Then
(
a
,
b
)
=
(
0
,
m
)
=
(
a
0
,
a
1
)
, a contradiction.
(b)
a
=
m
. Then
(
a
,
b
)
=
(
m
,
m
3
)
=
(
a
1
,
a
2
)
, a contradiction.
(c)
a
=
1. Then
b

1
=
1 and
(
b
+
1
)
|
(
b
2
+
1
)
; but
(
b
+
1
)
|
(
b
2

1
)
,
thus
(
b
+
1
)
| [
(
b
2
+
1
)

(
b
2

1
)
] =
2. We have
b
=
1, thus
m
=
1 and
(
a
,
b
)
=
(
1
,
1
)
=
(
a
1
,
a
2
)
, a contradiction.


340

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   115   116   117   118   119   120   121   122   ...   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