Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 1. Divisibility



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet21/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   17   18   19   20   21   22   23   24   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 1. Divisibility
Prove that X contains two distinct elements x
,
y such that x
=
1
and x di-
vides y.
(1996 Balkan Mathematical Olympiad)
Solution.
Take
m
such that
m
2
<
p
< (
m
+
1
)
2
and write
p
=
k
+
m
2
, with
1

k

2
m
. Since
p

(
m

k
)
2
=
k
(
2
m

k
+
1
)
, we have
p

m
2
|
p

(
m

k
)
2
.
Thus we are done by taking
x
=
p

m
2
=
k
and
y
=
p
− |
m

k
|
2
unless either
k
=
p

m
2
=
1 (which gives
x
=
1),
k
=
m
(which gives
|
m

k
| =
0), or
k
=
2
m
(which gives
x
=
y
). The latter two cases give
p
=
m
(
m
+
1
)
and
p
=
m
(
m
+
2
)
, respectively, which cannot occur, since
p
is prime. In the remaining
case,
p
=
m
2
+
1, which forces
m
be even. Hence
x
=
p

(
m

1
)
2
=
2
m
divides
y
=
p

1
=
m
2
is the required example.
Additional Problems
Problem 1.2.10.
For each integer
n
such that
n
=
p
1
p
2
p
3
p
4
, where
p
1
,
p
2
,
p
3
,
p
4
are distinct primes, let
d
1
=
1
<
d
2
<
d
3
<
· · ·
<
d
16
=
n
be the sixteen positive integers that divide
n
. Prove that if
n
<
1995, then
d
9

d
8
=
22.
(1995 Irish Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.11.
Prove that there are infinitely many positive integers
a
such that
the sequence
(
z
n
)
n

1
,
z
n
=
n
4
+
a
, does not contain any prime number.
(11th International Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.12.
Let
p
,
q
,
r
be distinct prime numbers and let
A
be the set
A
= {
p
a
q
b
r
c
:
0

a
,
b
,
c

5
}
.
Find the smallest integer
n
such that every
n
-element subset of
A
contains two
distinct elements
x
,
y
such that
x
divides
y
.
(1997 Romanian Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.13.
Prove Bonse’s inequality:
p
1
p
2
· · ·
p
n
>
p
2
n
+
1
for
n

4, where
p
1
=
2,
p
2
=
3
, . . .
is the increasing sequence of prime
numbers.


1.3. The Greatest Common Divisor and Least Common Multiple
17
Problem 1.2.14.
Show that there exists a set
A
of positive integers with the fol-
lowing property: for any infinite set
S
of primes, there exist two positive integers
m

A
and
n

A
each of which is a product of
k
distinct elements of
S
for some
k

2.
(35th International Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.15.
Let
n
be an integer,
n

2. Show that if
k
2
+
k
+
n
is a prime
number for every integer
k
, 0

k


n
/
3, then
k
2
+
k
+
n
is a prime number
for every
k
, 0

k

n

2.
(28th International Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.16.
A sequence
q
1
,
q
2
, . . .
of primes satisfies the following condi-
tion: for
n

3,
q
n
is the greatest prime divisor of
q
n

1
+
q
n

2
+
2000. Prove that
the sequence is bounded.
(2000 Polish Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.17.
Let
a
>
b
>
c
>
d
be positive integers and suppose
ac
+
bd
=
(
b
+
d
+
a

c
)(
b
+
d

a
+
c
).
Prove that
ab
+
cd
is not prime.
(42nd International Mathematical Olympiad)
Problem 1.2.18.
Find the least odd positive integer
n
such that for each prime
p
,
n
2

1
4
+
np
4
+
p
8
is divisible by at least four primes.
(Mathematical Reflections)
1.3
The Greatest Common Divisor and
the Least Common Multiple
For a positive integer
k
we denote by
D
k
the set of all its positive divisors. It is
clear that
D
k
is a finite set. For positive integers
m
,
n
the maximal element in the
set
D
m

D
n
is called the
greatest common divisor
of
m
and
n
and is denoted by
gcd
(
m
,
n
)
.
Another characterization of gcd
(
m
,
n
)
is given by the property
d
|
gcd
(
m
,
n
)
if and only if
d
|
m
and
d
|
n
. Note that gcd
(
0
,
n
)
=
n
.
If
D
m

D
n
= {
1
}
, we have gcd
(
m
,
n
)
=
1 and we say that
m
and
n
are
relatively prime
.
The following properties can be directly derived from the definition above.
(1) If
d
=
gcd
(
m
,
n
)
,
m
=
dm
,
n
=
dn
, then gcd
(
m
,
n
)
=
1.


18
I Fundamentals, 1. Divisibility
(2) If
m
=
dm
,
n
=
dn
, and gcd
(
m
,
n
)
=
1, then
d
=
gcd
(
m
,
n
)
.
(3) If
d
is a common divisor of
m
and
n
, then
d
divides gcd
(
m
,
n
)
.
This property says, in particular, that gcd
(
m
,
n
)
is the largest common di-
visor of
m
and
n
, as the name implies.
(4) If
m
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
and
n
=
p
β
1
1
· · ·
p
β
k
k
,
α
i
, β
i

0,
i
=
1
, . . . ,
k
, then
gcd
(
m
,
n
)
=
p
min

1

1
)
1
· · ·
p
min

k

k
)
k
.
(5) If
m
=
nq
+
r
, then gcd
(
m
,
n
)
=
gcd
(
n
,
r
)
.
Let us prove the last property. Set
d
=
gcd
(
m
,
n
)
and
d
=
gcd
(
n
,
r
)
. Because
d
|
m
and
d
|
n
it follows that
d
|
r
. Hence
d
|
d
. Conversely, from
d
|
n
and
d
|
r
it follows that
d
|
m
, so
d
|
d
. Thus
d
=
d
.
A useful algorithm for finding the greatest common divisor of two positive
integers is the
Euclidean algorithm
. It consists in repeated application of the divi-
sion algorithm:
m
=
nq
1
+
r
1
,
1

r
1
<
n
,
n
=
r
1
q
2
+
r
2
,
1

r
2
<
r
1
,
. . .
r
k

2
=
r
k

1
q
k
+
r
k
,
1

r
k
<
r
k

1
,
r
k

1
=
r
k
q
k
+
1
+
r
k
+
1
,
r
k
+
1
=
0
.
This chain of equalities is finite because the descending sequence
n
>
r
1
>
r
2
>
· · ·
>
r
k

0 of integers cannot go on indefinitely.
The last nonzero remainder,
r
k
, is the greatest common divisor of
m
and
n
.
Indeed, by applying successively property (5) above, we obtain
gcd
(
m
,
n
)
=
gcd
(
n
,
r
1
)
=
gcd
(
r
1
,
r
2
)
= · · · =
gcd
(
r
k

1
,
r
k
)
=
r
k
.
Proposition 1.3.1.
For positive integers m and n, there exist integers a and b such
that am
+
bn
=
gcd
(
m
,
n
)
.
Proof.
From the Euclidean algorithm it follows that
r
1
=
m

nq
1
,
r
2
= −
mq
2
+
n
(
1
+
q
1
q
2
), . . . .
In general,
r
i
=
m
α
i
+
n
β
i
,
i
=
1
, . . . ,
k
. Because
r
i
+
1
=
r
i

1

r
i
q
i
+
1
, it
follows that
α
i
+
1
=
α
i

1

q
i
+
1
α
i
,
β
i
+
1
=
β
i

1

q
i
+
1
β
i
,
i
=
2
, . . . ,
k

1. Finally, we obtain gcd
(
m
,
n
)
=
r
k
=
α
k
m
+
β
k
n
.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   17   18   19   20   21   22   23   24   ...   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