Number Theory: Structures, Examples, and Problems


Basic Principles in Number Theory



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet45/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

5
Basic Principles in Number Theory
5.1
Two Simple Principles
5.1.1
Extremal Arguments
In many problems it is useful to consider the least or the greatest element with
a certain property. Very often such a choice leads to the construction of other
elements or to a contradiction.
Problem 5.1.1.
Show that there exist infinitely many positive integers n such that
the largest prime divisor of n
4
+
1
is greater than
2
n.
(2001 St. Petersburg City Mathematical Olympiad)
Solution.
First we prove the following result.
Lemma.
There are infinitely many numbers that are prime divisors of m
4
+
1
for
some m.
Proof.
Suppose that there are only finite number of such primes. Let
p
1
,
p
2
,
. . .
,
p
k
be all of them. Let
p
be any prime divisor of
(
p
1
p
2
· · ·
p
k
)
4
+
1. This num-
ber cannot equal any
p
i
, a contradiction to our assumption, which proves the
lemma.
Let
P
be the set of all numbers that are prime divisors of
m
4
+
1 for some
m
. Pick any
p
from
P
and
m
from
Z
, such that
p
divides
m
4
+
1. Let
r
be the
residue of
m
modulo
p
. We have
r
<
p
,
p
|
r
4
+
1, and
p
|
(
p

r
)
4
+
1. Let
n
be the minimum of
r
and
p

r
. It follows that
n
<
p
/
2 and
p
>
2
n
and of
course
p
|
n
4
+
1. Thus we have found for each
p

P
a good number
n
p
. Since
n
p

4

p

1, and
P
is infinite, the set
{
n
p
:
p

P
}
is also infinite.
Remark.
Essentially the same proof shows that for any polynomial
P
(
x
)
with
integer coefficients, there are infinitely many primes that divide
P
(
n
)
for some
integer
n
.
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
89
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/
_5, 
b11 56
8


90
I Fundamentals, 5. Basic Principles in Number Theory
Problem 5.1.2.
Let a
1
,
a
2
, . . .
be a strictly increasing sequence of positive inte-
gers such that
gcd
(
a
m
,
a
n
)
=
a
gcd
(
m
,
n
)
for all positive integers m and n. There
exists a least positive integer k for which there exist positive integers r
<
k and
s
>
k such that a
2
k
=
a
r
a
s
. Prove that r divides k and that k divides s.
(2001 Indian Mathematical Olympiad)
Solution.
We begin by proving a lemma.
Lemma.
If positive integers a
,
b
,
c satisfy b
2
=
ac, then
gcd
(
a
,
b
)
2
=
gcd
(
a
,
c
)
·
a
.
Proof.
Consider any prime
p
. Let
e
be the highest exponent such that
p
e
divides
b
,
and let
e
1
and
e
2
be the corresponding highest exponents for
a
and
c
, respectively.
Because
b
2
=
ac
, we have 2
e
=
e
1
+
e
2
. If
e
1

e
, then the highest powers of
p
that divide gcd
(
a
,
b
)
, gcd
(
a
,
c
)
, and
a
are
e
,
e
2
, and
e
1
, respectively. Otherwise,
these highest powers are all
e
1
. Therefore, in both cases, the exponent of
p
on the
left side of the desired equation is the same as the exponent of
p
on the right side.
The desired result follows.
Applying the lemma to the given equation
a
2
k
=
a
r
a
s
, we have
gcd
(
a
r
,
a
k
)
2
=
gcd
(
a
r
,
a
s
)
a
r
.
It now follows from the given equation that
a
2
gcd
(
r
,
k
)
=
a
gcd
(
r
,
s
)
a
r
.
Assume, for sake of contradiction, that gcd
(
r
,
k
) <
r
, so that
a
gcd
(
r
,
k
)
<
a
r
. Then from the above equation, it follows that
a
gcd
(
r
,
k
)
>
a
gcd
(
r
,
s
)
,
so that gcd
(
r
,
k
) >
gcd
(
r
,
s
)
. But then we have that
(
k
0
,
r
0
,
s
0
)
=
gcd
(
r
,
k
)
,
gcd
(
r
,
s
),
r
satisfies
a
2
k
0
=
a
r
0
a
s
0
with
r
0
<
k
0
<
s
0
and
k
0
<
r
<
k
, contradict-
ing the minimality of
k
.
Thus, we must have gcd
(
r
,
k
)
=
r
, implying that
r
|
k
. Then
gcd
(
a
r
,
a
k
)
=
a
gcd
(
r
,
k
)
=
a
r
,
so
a
r
|
a
k
. Thus
a
s
=
a
k
a
k
a
r
is an integer multiple of
a
k
, and
a
gcd
(
k
,
s
)
=
gcd
(
a
k
,
a
s
)
=
a
k
.
Because
a
1
,
a
2
, . . .
is increasing, it follows that gcd
(
k
,
s
)
=
k
. Therefore,
k
|
s
, completing the proof.


5.1. Two Simple Principles
91
Problem 5.1.3.
Determine all pairs
(
n
,
p
)
of positive integers such that p is a
prime, n

2
p and
(
p

1
)
n
+
1
is divisible by n
p

1
.
(40th International Mathematical Olympiad)
Solution.
All pairs
(
1
,
p
)
, where
p
is a prime number, satisfy the conditions.
When
p
=
2, it follows that
n
=
2, and thus the pair
(
2
,
2
)
is also a solution of
the problem. Thus, we may suppose
p

3 and let
n
be such that
n

2
p
and
n
p

1
divides
(
p

1
)
n
+
1. Since
(
p

1
)
n
+
1 is odd number, it follows that
n
<
2
p
. We shall prove that
n
=
p
.
Let
q
be a minimal prime divisor of
n
. Since
q
|
n
and
n
p

1
|
(
p

1
)
n
+
1,
it follows that
(
p

1
)
n
≡ −
1
(
mod
q
)
. Since
n
and
q

1 are relatively prime
numbers, we may write
an
+
b
(
q

1
)
=
1 for some integers
a
and
b
.
We have
p

1

(
p

1
)
an
+
b
(
q

1
)

(
p

1
)
na
(
p

1
)
(
q

1
)
b

(

1
)
a
1
b
≡ −
1
(
mod
q
),
because
a
must be odd. This shows that
q
|
p
, and therefore
q
=
p
. Since
n
<
2
p
,
by the consideration of
q
, we have
n
=
p
.
Let consider in these conditions the original divisibility
p
p

1
|
(
p

1
)
p
+
1
=
p
p

p
1
p
p

1
+
p
2
p
p

2
− · · · +
p
p

1
p

1
+
1
=
p
2
1
p
p

2

p
1
p
p

3
+
p
2
p
p

4
− · · · +
1
2
.
Therefore
p

1
=
2,
p
=
3, and we then obtain the pair (3
,
3).
The conclusion is that the required solutions are
(
1
,
p
)
,
(
2
,
2
)
, and
(
3
,
3
)
,
where
p
is an arbitrary prime.
Remark.
With a little bit more work, we can even erase the condition
n

2
p
.
5.1.2
The Pigeonhole Principle
Let
S
be a nonempty set and let
S
1
,
S
2
, . . . ,
S
n
be a partition of
S
(that is,
S
1

S
2
∪ · · · ∪
S
n
=
S
and
S
i

S
j
= ∅
for
i
=
j
). If
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
+
1
are distinct
elements in
S
, then there is a
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
}
such that at least two of these
elements belong to
S
k
.
This simple observation is called the
pigeonhole principle
(or
Dirichlet’s prin-
ciple
).
Examples.
(1) Let
m
1
,
m
2
, . . . ,
m
n
+
1
be distinct integers. Then
m
i

m
j
(
mod
n
)
for some
i
,
j
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
+
1
}
,
i
=
j
.
Indeed, let
S
t
= {
x

Z
:
x

t
(
mod
n
)
}
,
t
=
1
,
2
, . . . ,
n
. There is a
k
∈ {
1
,
2
, . . . ,
n
}
such that
S
k
contains at least two of the given integers, say
m
i
and
m
j
. Then
m
i

m
j
(
mod
n
)
.


92

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   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