Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet38/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   34   35   36   37   38   39   40   41   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

Solution.
There are nine prime numbers less than 26:
p
1
=
2,
p
2
=
3
, . . .
,
p
9
=
23. Any element
x
of
M
has a representation
x
=
9
i
=
1
p
a
i
i
,
a
i

0. If
x
,
y

M
and
y
=
9
i
=
1
p
b
i
i
, the product
x y
=
9
i
=
1
p
a
i
+
b
i
i
is a perfect square if and only
if
a
i
+
b
i

0
(
mod 2
)
. Equivalently,
a
i

b
i
(
mod 2
)
for all
i
=
1
,
2
, . . . ,
9.
Because there are 2
9
=
512 elements in
(
Z
/
2
Z
)
9
, any subset of
M
having at least
513 elements contains two elements
x
,
y
such that
x y
is a perfect square. Starting
from
M
and eliminating such pairs, one obtains
1
2
(
1985

513
)
=
736
>
513
distinct two-element subsets of
M
having a square as the product of elements.
Reasoning as above, we find among these squares at least one pair (in fact many
pairs) whose product is a fourth power.
Problem 2.3.4.
Let A be a subset of
{
0
,
1
, . . . ,
1997
}
containing more than 1000
elements. Prove that A contains either a power of
2
, or two distinct integers whose
sum is a power of
2
.
(1997 Irish Mathematical Olympiad)
Solution.
Suppose
A
did not satisfy the conclusion. Then
A
would contain at most
half of the integers from 51 to 1997, since they can be divided into pairs whose
sum is 2048 (with 1024 left over); likewise,
A
contains at most half of the integers
from 14 to 50, at most half of the integers from 3 to 13, and possibly 0, for a total
of
973
+
18
+
5
+
1
=
997
integers.
Problem 2.3.5.
Show that in the arithmetic progression with first term
1
and dif-
ference
729
, there are infinitely many powers of
10
.
(1996 Russian Mathematical Olympiad)
First solution.
We will show that for all natural numbers
n
, 10
81
n

1 is divisible
by 729. In fact,
10
81
n

1
=
(
10
81
)
n

1
n
=
(
10
81

1
)
·
A
,


2.3.
k
th Powers of Integers,
k
at least 4
59
and
10
81

1
=
9
. . .
9
81
=
(
9
. . .
9
9
)
· · ·
(
10
. . .
01
8
10
. . .
01
8
. . .
10
. . .
01
8
)
=
9
(
1
. . .
1
9
)
· · ·
(
10
. . .
01
8
10
. . .
01
8
. . .
10
. . .
01
8
).
The second and third factors have nine digits equal to 1 and the root of digits (if
any) 0, so the sum of the digits is 9, and each is a multiple of 9. Hence 10
81

1 is
divisible by 9
3
=
729, as is 10
81
n

1 for any
n
.
Second solution.
In order to prove that 10
81

1 is divisible by 9
3
, just write
10
81

1
=
(
9
+
1
)
81

1
=
k
·
9
3
+
81
2
9
2
+
81
1
·
9
=
k
·
9
3
+
81
·
40
·
9
2
+
81
·
9
=
(
k
+
361
)
·
9
3
.
Remark.
An alternative solution uses Euler’s theorem (see Section 7.2). We have
10
ϕ(
729
)

1
(
mod 729
)
; thus 10
n
ϕ(
729
)
is in this progression for any positive
integer
n
.
Additional Problems
Problem 2.3.6.
Let
p
be a prime number and
a
,
n
positive integers. Prove that if
2
p
+
3
p
=
a
n
,
then
n
=
1.
(1996 Irish Mathematical Olympiad)
Problem 2.3.7.
Let
x
,
y
,
p
,
n
,
k
be natural numbers such that
x
n
+
y
n
=
p
k
.
Prove that if
n
>
1 is odd and
p
is an odd prime, then
n
is a power of
p
.
(1996 Russian Mathematical Olympiad)
Problem 2.3.8.
Prove that a product of three consecutive integers cannot be a
power of an integer.
Problem 2.3.9.
Show that there exists an infinite set
A
of positive integers such
that for any finite nonempty subset
B

A
,
"
x

B
x
is not a perfect power.
(Kvant)
Problem 2.3.10.
Prove that there is no infinite arithmetic progression consisting
only of powers

2.



3
Floor Function and Fractional Part
3.1
General Problems
For a real number
x
there is a unique integer
n
such that
n

x
<
n
+
1.
We say that
n
is the
greatest integer less than or equal to x
or the
floor
of
x
.
We write
n

x
. The difference
x
− 
x
is called the
fractional part
of
x
and is
denoted by
{
x
}
.
The integer
−−
x
is called the
ceiling
of
x
and is denoted by
x
.
Examples.
(1)
2
.
1
=
2,
{
2
.
1
} =
0
.
1, and
2
.
1
=
3.
(2)

3
.
9
= −
4,
{−
3
.
9
} =
0
.
1, and

3
.
9
= −
3.
The following properties are useful:
(1) If
a
and
b
are integers,
b
>
0, and
q
is the quotient when
a
is divided by
b
, then
q
=
a
b
.
(2) For any real number
x
and any integer
n
,
x
+
n

x
+
n
and
x
+
n
=
x
+
n
.
(3) For any positive real number
x
and any positive integer
n
, the number of
positive multiples of
n
not exceeding
x
is
x
n
.
(4) For any real number
x
and any positive integer
n
,
x
n
=
x
n
.
(5) For any real numbers
x
and
y
,
x
+
y

1
≤ 
x

y
≤ 
x
+
y
.
We will prove the last three properties. For (3), consider all multiples
1
·
n
,
2
·
n
, . . . ,
k
·
n
,
where
k
·
n

x
< (
k
+
1
)
n
. That is,
k

x
n
<
k
+
1 and the conclusion
follows. For (4) write
x
=
m
and
{
x
} =
α
. From the division algorithm and
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_3, 
61


62
I Fundamentals, 3. Floor Function and Fractional Part
property (1) above it follows that
m
=
n
m
n
+
r
, where 0

r

n

1. We
obtain 0

r
+
α

n

1
+
α <
n
, that is,
r
+
α
n
=
0 and
#
x
n
$
=
%
m
+
α
n
&
=
%#
m
n
$
+
r
+
α
n
&
=
#
m
n
$
+
%
r
+
α
n
&
=
#
m
n
$
=
%
x
n
&
.
Remark.
An easier proof of (4) may be this:
Since
x
n

x
n
<
x
n
+
1, we can write
x
=
n
x
n
+
s
with 0

x
<
n
. By
(2), we have
x
=
n
x
n

s
, so
x
n
=
#
x
n
$
+
s
n
.
Applying (2) again gives
%
x
n
&
=
#
x
n
$
+
%
x
n
&
.
Since 0
≤ 
x

s
<
n
, 0

s
n
<
1. Hence the last term is zero and we get (4).
For (5) just set
x
=
m
,
{
x
} =
α
, and
y
=
n
,
{
y
} =
β
and reduce the
inequalities to
α
+
β

1

0
≤ 
α
+
β
. Because
α
+
β
is 0 or 1, we are
done.
The following properties connecting the floor and the ceiling of
x
are obvious:
(6) For any real number
x
,
x
− 
x

1.
Problem 3.1.1.
Find all positive integers n such that
n

111
divides
111
.
Solution.
The positive divisors of 111 are 1, 3, 37, 111. So we have the following
cases:
(1)
n

111
=
1 or 1

111
<
2
n
; hence
n

7.
(2)
n

111
=
3, or 3
n

111
<
4
n
, so
n
=
4.
(3)
n

111
=
37, or 37
n

111
<
38
n
, impossible.
(4)
n

111
=
111, or 111
n

111
<
112
n
, and so
n
=
1.
Therefore
n
=
1,
n
=
4, or
n

7.
Problem 3.1.2.
Solve in
R
the equation
x
x
=
1
.
Solution.
By definition,
x
x
=
1
implies
1

x
x
<
2
.
We consider the following cases:



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   34   35   36   37   38   39   40   41   ...   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