Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 6. Arithmetic Functions



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet105/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   101   102   103   104   105   106   107   108   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 6. Arithmetic Functions
Solution.
It is given that the reduced system of residues mod
n
chosen from the
set
{
1
,
2
, . . . ,
n

1
}
is an arithmetic progression. We write it as an increasing
sequence 1
=
a
1
<
a
2
<
· · ·
<
a
k
=
n

1.
Suppose the reduced system of residues for
n
is an arithmetic progression
with difference 1. Since 1 and
n

1 are relatively prime to
n
, this system must be
1
<
2
<
· · ·
<
n

1. Hence
n
has no factors in
{
2
, . . . ,
n

1
}
and
n
is prime. If
the reduced system of residues for
n
is an arithmetic progression with difference
2, then it must be 1
<
3
<
· · ·
<
n

1. Hence
n
has no odd factors and
n
is a
power of 2. The problem asks us to prove that only these cases can appear.
Let
a
2
be the second member of the progression. Because
a
2
>
1 is the least
positive number relatively prime to
n
, it is a prime number, say
p
and
p
>
3.
Then, the difference of the progression is
a
2

a
1
=
p

1, and
a
k
=
n

1
=
1
+
(
k

1
)(
p

1
)
. We obtain a “key” formula:
n

2
=
(
k

1
)(
p

1
).
Remembering the choice of
p
,
n
is divisible by 3, and then
n

2

1
(
mod 3
)
.
Thus, by the key formula we cannot have
p

1
(
mod 3
)
. Since
p
>
3, we have
p

2
(
mod 3
)
. Then
a
3
=
1
+
2
(
p

1
)

0
(
mod 3
)
, and this contradicts the
supposition that
a
3
and
n
are relatively prime numbers.
6.5
Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
Problem 6.5.7.
(a) If p is a prime, prove that for any positive integer n,

%
ln
n
ln
p
&
+
n
ln
n
ln
p
k
=
1
1
p
k
<
e
p
(
n
) <
n
p

1
.
(b) Prove that
lim
n
→∞
e
p
(
n
)
n
=
1
p

1
.
Solution.
(a) From Legendre’s formula,
e
p
(
n
)
=
k

1
%
n
p
k
&

k

1
n
p
k
<
n

j
=
1
1
p
j
=
n
p

1
.
For the left bound note that
ln
n
ln
p
is the least nonnegative integer
s
such that
n
<
p
s
+
1
. That is,
n
p
k
=
0 for
k

s
+
1. It follows that
e
p
(
n
)
=
s
k
=
1
%
n
p
k
&
>
s
k
=
1
n
p
k

1
=
n
s
k
=
1
1
p
k

s
,
and we are done.


6.5. Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
295
(b) From the inequalities

1
n
%
ln
n
ln
p
&
+
#
ln
n
ln
p
$
k
=
1
1
p
k
<
e
p
(
n
)
n
<
1
p

1
and the fact that
lim
n
→∞
1
n
%
ln
n
ln
p
&
=
0
and
lim
n
→∞
#
ln
n
ln
p
$
k
=
1
1
p
k
=
1
p

1
,
the desired formula follows.
Remark.
An easier to understand lower bound on
e
p
(
n
)
is
e
p
(
n
) >
n
p

1

?
log
n
log
p
@
,
which follows easily from the fact that
n
has at most
9
log
n
log
p
:
digits in base
p
. This
lower bound suffices to prove (b).
Problem 6.5.8.
Show that for all nonnegative integers m
,
n the number
(
2
m
)
!
(
2
n
)
!
m
!
n
!
(
m
+
n
)
!
is also an integer.
(14th International Mathematical Olympiad)
Solution.
It is sufficient to prove that for any prime number
p
,
e
p
(
2
m
)
+
e
p
(
2
n
)

e
p
(
m
)
+
e
p
(
n
)
+
e
p
(
m
+
n
).
Again, it is sufficient to prove that for all
i
,
j

1, the following inequality
holds:
%
2
m
p
i
&
+
%
2
n
p
i
&

%
m
p
i
&
+
%
n
p
i
&
+
%
m
+
n
p
i
&
.
This follows from a more general result.
Lemma.
For any real numbers a
,
b,
2
a

2
b
≥ 
a

b

a
+
b
.
Proof.
Let
a

a
+
x
,
b

b
+
y
, where 0

x
,
y
<
1. If
x
+
y
<
1 we have
a
+
b

a

b
, and the required inequality becomes
2
a

2
b

2
(
a

b
).
In this form, it is obvious.


296
II Solutions, 6. Arithmetic Functions
Let 1

x
+
y
<
2. Then 2
x

1 or 2
y

1. Let 2
x

1. Then
2
a
=
2
a
+
1
and
a
+
b

a

b
+
1
.
Thus
2
a

2
b
=
2
a
+
1

2
b

2
a
+
1
+
2
b

a

b

a
+
b
.
The other cases follow in a similar way.
Problem 6.5.9.
Prove that
(
3
a
+
3
b
)
!
(
2
a
)
!
(
3
b
)
!
(
2
b
)
!
(
2
a
+
3
b
)
!
(
a
+
2
b
)
!
(
a
+
b
)
!
a
!
(
b
!
)
2
is an integer for all pairs of
positive integers a
,
b.
(American Mathematical Monthly)
Solution.
First, let us clarify something. When we write
%
n
p
&
+
%
n
p
2
&
+
%
n
p
3
&
+ · · ·
,
we write in fact
"
k

1
n
p
k
, and this sum has clearly a finite number of nonzero
terms. Now let us take a prime
p
and apply Legendre’s formula as well as the first
observations. We find that
v
p
((
3
a
+
3
b
)
!
(
2
a
)
!
(
3
b
)
!
(
2
b
)
!
)
=
k

1
%
3
a
+
3
b
p
k
&
+
%
2
a
p
k
&
+
%
3
b
p
k
&
+
%
2
b
p
k
&
and also
v
p
(
2
a
+
3
b
)
!
(
a
+
2
b
)
!
(
a
+
b
)
!
a
!
(
b
!
)
2
=
k

1
%
2
a
+
3
b
p
k
&
+
%
a
+
2
b
p
k
&
+
%
a
+
b
p
k
&
+
%
a
p
k
&
+
2
%
b
p
k
&
.
Of course, it is enough to prove that for each
k

1, the term corresponding
to
k
in the first sum is greater than or equal to the term corresponding to
k
in the
second sum. With the substitution
x
=
a
p
k
,
y
=
b
p
k
, we have to prove that for any
nonnegative real numbers
x
,
y
we have
3
x
+
3
y
+
2
x
+
3
y
+
2
y
≥ 
2
x
+
3
y
+
x
+
2
y
+
x
+
y
+
x
+
2
y
.
This isn’t easy, but with another useful idea the inequality will become easy.
The idea is that
3
x
+
3
y
=
3
x
+
3
y

3
{
x
} +
3
{
y
}
,
and similar relations for the other terms of the inequality. After this operation, we
see that it suffices to prove the inequality only for 0

x
,
y
<
1. Because we
can easily compute all terms, after splitting in some cases, it suffices to see when
2
{
x
}
,
3
{
y
}
,
2
{
y
}
are 0, 1, or 2.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   101   102   103   104   105   106   107   108   ...   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