Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet47/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   43   44   45   46   47   48   49   50   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

5.2. Mathematical Induction
95
(where
d
1
,
d
2
, . . . ,
d
n
are the
n
divisors arranged in increasing order), namely,
multiplying the above relation by
n
+
1. This yields
(
n
+
1
)
! =
(
n
+
1
)
d
1
+
(
n
+
1
)
d
2
+ · · · +
(
n
+
1
)
d
n
=
d
1
+
nd
1
+
(
n
+
1
)
d
2
+ · · · +
(
n
+
1
)
d
n
.
We split
(
n
+
1
)
d
1
into
d
1
+
nd
1
, thus getting
n
+
1 summands, as needed. Of
them, only the second one might not be a divisor of
(
n
+
1
)
!
. We would like to
ensure that it is such a divisor, too. Hence the idea of insisting that
d
1
=
1.
Problem 5.2.3.
Prove that there are infinitely many numbers not containing the
digit
0
that are divisible by the sum of their digits.
Solution.
Let us prove by induction that 11
. . .
1
3
n
is a good choice. The base case
is easily verified, and for the inductive step we have
11
. . .
1
3
n
+
1
=
10
3

1
9
=
(
10
3
n
)
3

1
9
=
10
3
n
+
1

1
9
(
10
2
·
3
n
+
10
3
n
+
1
)
=
11
. . .
1
3
n
·
N
,
where
N
is a multiple of 3, and the conclusion follows.
Problem 5.2.4.
Let n be a positive integer. Let O
n
be the number of
2
n-tuples
(
x
1
, . . . ,
x
n
,
y
1
, . . . ,
y
n
)
with values in
0
or
1
for which the sum x
1
y
1
+· · ·+
x
n
y
n
is odd, and let E
n
be the number of
2
n-tuples for which the sum is even. Prove
that
O
n
E
n
=
2
n

1
2
n
+
1
.
(1997 Iberoamerican Mathematical Olympiad)
Solution.
We prove by induction that
O
n
=
2
2
n

1

2
n

1
and
E
n
=
2
2
n

1
+
2
n

1
,
which will give the desired ratio.
The base case is
n
=
1. This case works because
O
1
=
1
=
2
1

2
0
and
E
1
=
3
=
2
1
+
2
0
.
For the inductive step, we assume that this is true for
n
=
k
; then
x
1
y
1
+ · · · +
x
k
y
k
is even for
(
2
2
k

1
+
2
k

1
)
2
k
-tuples and odd for
(
2
2
k

1

2
k

1
)
2
k
-tuples.
Now,
x
1
y
1
+ · · · +
x
k
+
1
y
k
+
1
is odd if and only if either
x
1
y
1
+ · · · +
x
k
y
k
is odd


96
I Fundamentals, 5. Basic Principles in Number Theory
and
x
k
+
1
y
k
+
1
is even or
x
1
y
1
+ · · · +
x
k
y
k
is even and
x
k
+
1
y
k
+
1
is odd. Clearly
x
k
+
1
y
k
+
1
can be odd in one way and even in three ways, so
O
k
+
1
=
3
(
2
2
k

1

2
k

1
)
+
2
2
k

1
+
2
k

1
=
2
2
(
k
+
1
)

1

2
(
k
+
1
)

1
and
E
k
+
1
=
2
2
(
k
+
1
)

O
k
+
1
, which completes the induction.
Problem 5.2.5.
Prove that for all integers n

3
, there exist odd positive integers
x
,
y such that
7
x
2
+
y
2
=
2
n
.
(1996 Bulgarian Mathematical Olympiad)
Solution.
We will prove that there exist odd positive integers
x
n
,
y
n
such that
7
x
2
n
+
y
2
n
=
2
n
,
n

3.
For
n
=
3, we have
x
3
=
y
3
=
1. Now suppose that for a given integer
n

3
we have odd integers
x
n
,
y
n
satisfying 7
x
2
n
+
y
2
n
=
2
n
. We shall exhibit a pair
(
x
n
+
1
,
y
n
+
1
)
of odd positive integers such that 7
x
2
n
+
1
+
y
2
n
+
1
=
2
n
+
1
. In fact,
7
x
n
±
y
n
2
2
+
7
x
n

y
n
2
2
=
2
(
7
x
2
n
+
y
2
n
)
=
2
n
+
1
.
Precisely one of the numbers
x
n
+
y
n
2
and
|
x
n

y
n
|
2
is odd (since their sum is the
larger of
x
n
and
y
n
, which is odd). If, for example,
x
n
+
y
n
2
is odd, then
7
x
n

y
n
2
=
3
x
n
+
x
n

y
n
2
is also odd (as the sum of an odd and an even number); hence in this case we may
choose
x
n
+
1
=
x
n
+
y
n
2
and
y
n
+
1
=
7
x
n

y
n
2
.
If
x
n

y
n
2
is odd, then
7
x
n
+
y
n
2
=
3
x
n
+
x
n
+
y
n
2
,
so we can choose
x
n
+
1
=
|
x
n

y
n
|
2
and
y
n
+
1
=
7
x
n
+
y
n
2
.
Remark.
This problem goes back to Euler.
Problem 5.2.6.
Let f
(
x
)
=
x
3
+
17
. Prove that for each natural number n, n

2
,
there is a natural number x for which f
(
x
)
is divisible by
3
n
but not by
3
n
+
1
.
(1999 Japanese Mathematical Olympiad)


5.2. Mathematical Induction
97
Solution.
We prove the result by induction on
n
. If
n
=
2, then
x
=
1 suffices.
Now suppose that the claim is true for some
n

2, that is, there is a natural
number
y
such that
y
3
+
17 is divisible by 3
n
but not 3
n
+
1
. We prove that the
claim is true for
n
+
1.
Suppose we have integers
a
,
m
such that
a
is not divisible by 3 and
m

2.
Then
a
2

1
(
mod 3
)
and thus 3
m
a
2

3
m
(
mod 3
m
+
1
)
. Also, because
m

2
we have 3
m

3

2
m

1

m
+
1. Hence
(
a
+
3
m

1
)
3

a
3
+
3
m
a
2
+
3
2
m

1
a
+
3
3
m

3

a
3
+
3
m
(
mod 3
m
+
1
).
Because
y
3
+
17 is divisible by 3
n
, it is congruent to either 0, 3
n
, or 2
·
3
n
mod-
ulo 3
n
+
1
. Because 3 does not divide 17, 3 cannot divide
y
either. Hence applying
our result from the previous paragraph twice, once with
(
a
,
m
)
=
(
y
,
n
)
and once
with
(
a
,
m
)
=
(
y
+
3
n

1
,
n
)
, we find that 3
n
+
1
must divide either
(
y
+
3
n

1
)
3
+
17
or
(
y
+
2
·
3
n

1
)
3
+
17.
Hence there exists a natural number
x
not divisible by 3 such that 3
n
+
1
|
x
3
+
17. If 3
n
+
2
does not divide
x
3
+
17, we are done. Otherwise, we claim that
the number
x
=
x
+
3
n
suffices. Because
x
=
x
+
3
n

1
+
3
n

1
+
3
n

1
, the
result from the previous paragraphs tells us that
x
3

x
3
+
3
n
+
3
n
+
3
n

x
3
(
mod 3
n
+
1
)
. Thus 3
n
+
1
|
x
3
+
17 as well. On the other hand, because
x
=
x
+
3
n
,
we have
x
3

x
3
+
3
n
+
1

x
3
(
mod 3
n
+
2
)
. It follows that 3
n
+
2
does not divide
x
3
+
17, as desired. This completes the inductive step.
Additional Problems
Problem 5.2.7.
Let
p
be an odd prime. The sequence
(
a
n
)
n

0
is defined as fol-
lows:
a
0
=
0,
a
1
=
1
, . . .
,
a
p

2
=
p

2, and for all
n

p

1,
a
n
is the least
positive integer that does not form an arithmetic sequence of length
p
with any of
the preceding terms. Prove that, for all
n
,
a
n
is the number obtained by writing
n
in base
p

1 and reading the result in base
p
.
(1995 USA Mathematical Olympiad)
Problem 5.2.8.
Suppose that
x
,
y
, and
z
are natural numbers such that
x y
=
z
2
+
1. Prove that there exist integers
a
,
b
,
c
, and
d
such that
x
=
a
2
+
b
2
,
y
=
c
2
+
d
2
, and
z
=
ac
+
bd
.
(Euler’s problem)
Problem 5.2.9.
Find all pairs of sets
A
,
B
that satisfy the following conditions:
(i)
A

B
=
Z
;
(ii) if
x

A
, then
x

1

B
;
(iii) if
x

B
and
y

B
, then
x
+
y

A
.
(2002 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)


98

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   43   44   45   46   47   48   49   50   ...   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