Number Theory: Structures, Examples, and Problems


I Fundamentals, 1. Divisibility



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet27/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   23   24   25   26   27   28   29   30   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

I Fundamentals, 1. Divisibility
Let us prove the last property. From
a

b
(
mod
m
i
)
,
i
=
1
, . . . ,
k
, it follows
that
m
i
|
a

b
,
i
=
1
, . . . ,
k
. Hence
a

b
is a common multiple of
m
1
, . . . ,
m
k
,
and so lcm
(
m
1
, . . . ,
m
k
)
|
a

b
. That is,
a

b
(
mod lcm
(
m
1
, . . . ,
m
k
))
. Con-
versely, from
a

b
(
mod lcm
(
m
1
, . . . ,
m
k
))
, and the fact that each
m
i
divides
lcm
(
m
1
, . . . ,
m
k
)
we obtain
a

b
(
mod
m
i
)
,
i
=
1
, . . . ,
k
.
Theorem 1.5.1.
Let a
,
b
,
n be integers, n
=
0
, such that a
=
nq
1
+
r
1
, b
=
nq
2
+
r
2
,
0

r
1
,
r
2
<
|
n
|
. Then a

b
(
mod
n
)
if and only if r
1
=
r
2
.
Proof.
Because
a

b
=
n
(
q
1

q
2
)
+
(
r
1

r
2
)
, it follows that
n
|
a

b
if and
only if
n
|
r
1

r
2
. Taking into account that
|
r
1

r
2
|
<
|
n
|
, we have
n
|
r
1

r
2
if
and only if
r
1
=
r
2
.
Problem 1.5.1.
For all the positive integers k

1999
, let S
1
(
k
)
be the sum of all
the remainders of the numbers
1
,
2
, . . . ,
k when divided by
4
, and let S
2
(
k
)
be the
sum of all the remainders of the numbers k
+
1
,
k
+
2
, . . . ,
2000
when divided by
3
. Prove that there is a unique positive integer m

1999
so that S
1
(
m
)
=
S
2
(
m
)
.
(1999 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
A
k
= {
1
,
2
,
3
, . . . ,
k
}
and
B
k
= {
k
+
1
,
k
+
2
, . . . ,
2000
}
. From the
division of integers we have
k
=
4
q
1
+
r
1
,
with
r
1
∈ {
0
,
1
,
2
,
3
}
.
(
1
)
If
s
1
(
k
)
is the sum of the remainders after division by 4 of the last
r
1
elements
of
A
k
, then let
S
1
(
k
)
=
6
q
1
+
s
1
(
k
),
with 0

s
1
(
k
)

6
.
(
2
)
If
r
1
=
0, then set
s
1
(
k
)
=
0.
Using again the division of integers, there exist integers
q
2
,
r
2
such that
2000

k
=
3
q
2
+
r
2
,
with
r
2
∈ {
0
,
1
,
2
}
.
(
3
)
If
s
2
(
k
)
is the sum of the remainders on division by 3 of the last
r
2
elements
of
B
k
, then let
s
2
(
k
)
=
3
q
2
+
s
2
(
k
),
with 0

s
2
(
k
)

3
.
(
4
)
Again we set
S
2
(
k
)
=
0 if
r
2
=
0.
Since
S
1
(
k
)
=
S
2
(
k
)
,
s
2
(
k
)

s
1
(
k
)
=
3
(
2
q
1

q
2
)
, so 3
|
2
q
1

q
2
| = |
s
2
(
k
)

s
1
(
k
)
| ≤
6, and
|
2
q
1

q
2
| ≤
2. In other words,
|
2
q
1

q
2
| ∈ {
0
,
1
,
2
}
.
If 2
q
1
=
q
2
, then (1) and (3) imply 2000

(
r
1
+
r
2
)
=
10
q
1
; hence 10
|
(
r
1
+
r
2
)
. Then
r
1
=
r
2
=
0 and
q
1
=
200. From (1) it follows that
k
=
800, and
from (2) and (4) we have
S
1
(
800
)
=
S
2
(
800
)
=
1200.
Furthermore,
S
1
(
k
)

S
1
(
k
+
1
)
, and
S
2
(
k
)

S
2
(
k
+
1
)
for all
k
∈ {
1
,
2
, . . .
,
1998
}
. Since
S
1
(
799
)
=
S
1
(
800
)
and
S
2
(
799
)
=
S
2
(
800
)
+
2
>
S
1
(
800
)
, we


1.5. Modular Arithmetic
31
deduce that
S
1
(
k
) <
S
2
(
k
)
for all
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
799
}
. Since
S
1
(
801
)
=
S
1
(
800
)
+
1
>
S
2
(
800
)

S
2
(
801
)
, we derive that
S
1
(
k
) >
S
2
(
k
)
for all
k
∈ {
801
,
802
, . . .
,
1999
}
. Consequently,
S
1
(
m
)
=
S
2
(
m
)
if and only if
m
=
800.
Problem 1.5.2.
Let n be a positive integer. Show that if a and b are integers
greater than
1
such that
2
n

1
=
ab, then ab

(
a

b
)

1
can be written as
k
·
2
2
m
for some odd integer k and some positive integer m.
(2001 Balkan Mathematical Olympiad)
Solution.
Note that
ab

(
a

b
)

1
=
(
a
+
1
)(
b

1
)
. We shall show that the
highest powers of 2 dividing
(
a
+
1
)
and
(
b

1
)
are the same. Let 2
s
and 2
t
be the highest powers of 2 dividing
(
a
+
1
)
and
(
b

1
)
, respectively. Because
a
+
1
,
b

1

ab
+
1
=
2
n
, we have
s
,
t

n
.
Note that 2
s
divides 2
n
=
ab
+
1 and
a
+
1, so that
ab

a
≡ −
1
(
mod 2
s
).
Hence,
b

1
(
mod 2
s
)
, or 2
s
|
b

1, so that
s

t
.
Similarly,
ab
≡ −
b
≡ −
1
(
mod 2
t
)
, so
a
≡ −
1
(
mod 2
t
)
, and 2
t
|
a
+
1.
Thus,
t

s
.
Therefore,
s
=
t
, the highest power of 2 dividing
(
a
+
1
)(
b

1
)
is 2
s
, and
ab

(
a

b
)

1
=
k
·
2
2
s
for some odd
k
.
Problem 1.5.3.
Find all nonnegative integers m such that
(
2
2
m
+
1
)
2
+
1
is divisible
by at most two different primes.
(2002 Baltic Mathematics Competition)
Solution.
We claim
m
=
0
,
1
,
2 are the only such integers. It is easy to check that
these values of
m
satisfy the requirement. Suppose some
m

3 works. Write
(
2
2
m
+
1
)
2
+
1
=
(
2
2
m
+
1
+
1
)
2

2
·
2
2
m
+
1
=
(
2
2
m
+
1
+
2
m
+
1
+
1
)(
2
2
m
+
1

2
m
+
1
+
1
).
The two factors are both odd, and their difference is 2
m
+
2
; hence, they are rel-
atively prime. It follows that each is a prime power. We also know that
(
2
2
m
+
1
)
2
=
4
2
m
+
1
≡ −
1
(
mod 5
)
, so one of the factors 2
2
m
+
1
±
2
m
+
1
+
1 must be a power
of 5. Let 2
2
m
+
1
+
2
m
+
1
s
+
1
=
5
k
, where
s
= ±
1 is the appropriate sign.
Taking the above equation modulo 8, and using the assumption
m

3, we
obtain 5
k

1
(
mod 8
)
, so that
k
is even. Writing
k
=
2
l
, we have
2
m
+
1
(
2
m
+
s
)
=
(
5
l

1
)(
5
l
+
1
).
The factor 5
l
+
1 is congruent to 2
(
mod 4
)
, so 5
l

1
=
2
m
a
for some odd
integer
a
. But if
a
=
1, then
2
=
(
5
l
+
1
)

(
5
l

1
)
=
2
(
2
m
+
s
)

2
m
=
2
m
+
2
s

2
3

2
,


32

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   23   24   25   26   27   28   29   30   ...   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