Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet122/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   117   118   119   120   121   122   123   124   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

9.3. Sequences of Integers
349
Then for
m
<
3
t
, observe that
r
m
=
r
m
+
3
t
=
r
m
+
2
·
3
t
and
s
m
=
s
m
+
3
t
=
s
m
+
2
·
3
t
,
so that
x
m

x
m

1
=
x
3
t
+
m

x
3
t
+
m

1
=
x
2
·
3
t
+
m

x
2
·
3
t
+
m

1
.
Setting
m
=
1
,
2
, . . . ,
k
<
3
t
and adding the resulting equations, we have
x
k
=
x
3
t
+
k

x
3
t
x
k
=
x
2
·
3
t
+
k

x
2
·
3
t
.
Now setting
n
=
3
t
in the recursion and using (ii) from the induction hypoth-
esis, we have
x
3
t
=
3
t
, and
{
x
3
t
, . . . ,
x
2
·
3
t

2
} =
3
t
+
3
2
, . . . ,
3
t
+
1

1
2
,
x
2
·
3
t

1
=
3
t
+
1
2
.
Then setting
n
=
2
·
3
t
in the recursion, we have
x
2
·
3
t
= −
3
t
, giving
{
x
2
·
3
t
, . . . ,
x
3
t
+
1

2
} =

3
t
+
1

3
2
, . . . ,
3
t
+
1
2
x
2
·
3
t
+
1

1
= −
3
t
+
1

1
2
.
Combining this with (i) and (ii) from the induction hypothesis proves the
claims for
t
+
1. This completes the proof.
Second solution.
For
n
i
∈ {−
1
,
0
,
1
}
, let the number
[
n
m
n
m

1
· · ·
n
0
]
in base 3 equals
"
m
i
=
0
n
i
·
3
i
. It is simple to prove by induction on
k
that the
base-3 numbers with at most
k
digits equal

3
k

1
2
,

3
k

3
2
, . . . ,
3
k

1
2
,
which implies that every integer has a unique representation in base 3.
Now we prove by induction on
n
that if
n
=
a
m
a
m

1
· · ·
a
0
in base 3, then
x
n
= [
b
m
b
m

1
. . .
b
0
]
in base 3, where
b
i
= −
1 if
a
i
=
2 and
b
i
=
a
i
for all
other cases.


350
II Solutions, 9. Some Special Problems in Number Theory
For the base case,
x
0
=
0
= [
0
]
. Now assume that the claim is true for
n

1.
If
n
=
a
m
a
m

1
· · ·
a
r
+
1
1 00
. . .
0
r
, then
x
n
=
x
n

1
+
3
r
+
1

1
2
= [
b
m
b
m

1
. . .
b
i
0

1

1
· · · −
1
r
] + [
11
. . .
1
r
+
1
]
= [
b
m
b
m

1
. . .
b
i
1 00
. . .
0
r
]
.
If instead
n
=
a
m
a
m

1
· · ·
a
i
2 00
. . .
0
r
, then
x
n
=
x
n

1
+
A

3
r
+
1
+
1
2
B
= [
b
m
b
m

1
. . .
b
i
1

1

1
· · · −
1
r
] + [−
1 11
. . .
1
r
+
1
]
= [
b
m
b
m

1
. . .
b
i

1 00
. . .
0
r
]
.
In either case, the claim is true for
n
, completing the induction.
To finish the proof, note that every integer appears exactly once in base 3.
Thus each integer appears exactly once in
{
x
n
}
n

0
, as desired.
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)
First solution.
For each
n
, let rad
(
n
)
denote the largest square-free divisor of
n
(i.e., the product of all distinct prime factors of
n
). We let
b
n
equal to the ratio of
the following two numbers:

E
n
, the product of all
a
n
/
d
such that
d
is square-free, divides
n
, and has an
even number of prime factors.

O
n
, the product of all
a
n
/
d
such that
d
is square-free, divides
n
, and has an
odd number of prime factors.
Lemma 1.
d
|
a
n
b
d
=
a
n
.


9.3. Sequences of Integers
351
Proof.
Fix
n
, and observe that
d
|
n
b
n
equals
d
|
n
E
d
d
|
n
O
d
=
d
|
n
a
μ(
d
)
n
/
d
,
(

)
where
μ
is the M¨obius function.
In the numerator of
(

)
, each
E
d
is the product of
a
m
such that
m
|
d
. Also,
d
|
n
, implying that the numerator is the product of various
a
m
such that
m
|
n
.
For fixed
m
that divides
n
, how many times does
a
m
appears in the numerator
d
|
n
E
d
of
(

)
?
If
a
m
appears in
E
d
and
d
|
n
, then let
t
=
d
/
m
. By the definition of
E
d
,
we know that (i)
t
is square-free and (ii)
t
has an even number of prime factors.
Because
d
|
n
and
t
=
d
/
m
, we further know that (iii)
t
divides
n
/
m
.
Conversely, suppose that
t
is any positive integer satisfying (i), (ii), and (iii),
and write
d
=
tm
. By (iii),
d
is a divisor of
n
. Also,
t
is square-free by (i), is a
divisor of
d
, and has an even number of prime factors by (ii). Thus,
a
m
appears in
E
d
.
Suppose that
n
/
m
has
l
distinct prime factors. Then it has
l
0
+
l
2
+ · · ·
factors
t
satisfying (i), (ii), and (iii), implying that
a
m
appears in the numerator of
(

)
exactly
l
0
+
l
2
+ · · ·
times. Similarly,
a
m
appears in the denominator of
(

)
exactly
l
1
+
l
3
+ · · ·
times. If
m
<
n
, then
l

1, and these expressions are equal, so that the
a
m
’s
in the numerator and denominator of
(

)
cancel each other out. If
m
=
n
, then
l
=
0, so that
a
n
appears in the numerator once and in the denominator zero times.
Therefore,
d
|
n
b
d
=
d
|
n
E
d
d
|
n
O
d
=
a
n
,
as desired.
Lemma 2.
For any integer
α
that divides some term in a
1
,
a
2
, . . .
, there exists an
integer d such that
α
|
a
n

d
|
n
.
Proof.
Of all the integers
n
such that
α
|
a
n
, let
d
be the smallest.
If
α
|
a
n
, then
α
|
gcd
(
a
d
,
a
n
)
=
a
gcd
(
d
,
n
)
. By the minimality of
d
, gcd
(
d
,
n
)

d
. But gcd
(
d
,
n
)
|
n
as well, implying gcd
(
d
,
n
)
=
d
. Hence,
d
|
n
.
If
d
|
n
, then gcd
(
a
d
,
a
n
)
=
a
gcd
(
d
,
n
)
=
a
d
. Thus,
a
d
|
a
n
. Because
α
|
a
d
, it
follows that
α
|
a
n
as well.


352

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   117   118   119   120   121   122   123   124   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