Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet49/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

5.4. Inclusion–Exclusion
101
Proof.
Let
A
=
n
4
i
=
1
S
i
and
B
=
n
3
i
=
1
S
i
.
It is clear that
A

B
=
S
and
A

B
= ∅
. Hence
|
S
| = |
A
| + |
B
|
and the
conclusion follows from Theorem 5.4.1.
Example.
How many positive integers not exceeding
120
are not divisible by
2
,
3
, and
5
?
Solution.
Consider the sets
S
1
= {
2
m
|
1

m

60
}
,
S
2
= {
3
n
|
1

n

40
}
,
S
3
= {
5
p
|
1

p

24
}
.
We have
S
1

S
2
= {
6
q
|
1

q

20
}
,
S
1

S
3
= {
10
r
|
1

r

12
}
,
S
2

S
3
= {
15
s
|
1

s

8
}
,
and
S
1

S
2

S
3
= {
30
u
|
1

u

4
}
.
Applying the formula in Theorem 5.3.2, we get
|
S
1

S
2

S
3
| =
120

(
|
S
1
| + |
S
2
| + |
S
3
|
)
+ |
S
1

S
2
| + |
S
1

S
3
|
+ |
S
2

S
3
| − |
S
1

S
2

S
3
|
=
120

(
60
+
40
+
24
)
+
20
+
12
+
8

4
=
32
.
Problem 5.4.1.
Let S
= {
1
,
2
,
3
, . . . ,
280
}
. Find the smallest integer n such that
each n-element subset of S contains five numbers that are pairwise relatively
prime.
(32nd International Mathematical Olympiad)
Solution.
The solution is given in two steps.
First step. Consider the sets
M
2
= {
2
,
4
,
6
, . . . ,
280
}
,
M
3
= {
3
,
6
,
9
, . . . ,
279
}
,
M
5
= {
5
,
10
,
15
, . . . ,
280
}
,
M
7
= {
7
,
14
, . . . ,
280
}
,
and let
M
=
M
2

M
3

M
5

M
7
. The following cardinalities are obvious:
|
M
2
| =
140
,
|
M
3
| =
93
,
|
M
5
| =
56
,
and
|
M
7
| =
40
.


102
I Fundamentals, 5. Basic Principles in Number Theory
It is easy to prove that
|
M
2

M
3
| =
#
280
6
$
=
46
,
|
M
2

M
5
| =
#
280
10
$
=
28
,
|
M
2

M
7
| =
#
280
14
$
=
20
,
|
M
3

M
5
| =
#
280
15
$
=
18
,
|
M
3

M
7
| =
#
280
21
$
=
13
,
|
M
5

M
7
| =
#
280
35
$
=
8
,
|
M
2

M
3

M
5
| =
#
280
30
$
=
9
,
|
M
2

M
3

M
7
| =
#
280
42
$
=
6
,
|
M
2

M
5

M
7
| =
#
280
70
$
=
4
,
|
M
4

M
5

M
7
| =
#
28
105
$
=
2
,
and
|
M
2

M
3

M
5

M
7
| =
#
280
210
$
=
1
.
By the principle of inclusion–exclusion, we obtain
|
M
| = |
M
2

M
3

M
5

M
7
|
=
140
+
93
+
56
+
40

(
46
+
28
+
20
+
18
+
13
+
8
)
+
(
9
+
6
+
4
+
2
)

1
=
216
.
By the pigeonhole principle, any five-element subset of
M
contains at least
two elements from the same subset
M
i
,
i
∈ {
2
,
3
,
5
,
7
}
. These elements are not
relatively prime numbers. Thus, we have proved that
n
>
216.
Second step. We will prove that
n
=
217.
The set
S
\
M
contains 280

216
=
64 elements. It contains prime numbers
and composite numbers. Taking into account that

280
=
16, we see that any
composite numbers in
S
\
M
have one prime factor at most 16. Thus they are
precisely
C
= {
11
2
;
11
·
13
;
11
·
17
;
11
·
19
;
11
·
23
;
13
2
;
13
·
17
;
13
·
19
}
.
Observe that
|
C
| =
8. The set
S
\
M
contains the number 1, 8 composite
numbers, and 55 prime numbers. Also, taking into account the prime numbers 2,
3, 5, 7, we infer that the set
S
contains 59 prime numbers in all.
Let
p
1
=
2,
p
2
=
3,
p
3
=
5
, . . . ,
p
59
be all these prime numbers and let
P
= {
1
,
p
2
,
p
2
, . . . ,
p
59
}
. Thus,
|
P
| =
60.
Let
T
be a subset containing 217 elements of
S
. If
|
T

P
| ≥
5, it follows that
T
contains 5 elements that are relatively prime numbers. So, suppose
|
T

P
| ≤
4.
In this case,
|
T

(
S
\
P
)
| ≥
217

4
=
213. Since
S
contains 220 composite
numbers, it follows that at most 7 composite numbers are not in
T
.


5.4. Inclusion–Exclusion
103
Consider the following five-element subsets of
S
\
P
:
A
1
= {
2
2
;
3
2
;
5
2
;
7
2
;
13
2
}
,
A
2
= {
2
·
23
;
3
·
19
;
5
·
17
;
7
·
13
;
11
·
11
}
,
A
3
= {
2
·
29
;
3
·
23
;
5
·
19
;
7
·
17
;
11
·
13
}
,
A
4
= {
2
·
31
;
3
·
29
;
5
·
23
;
7
·
19
;
11
·
17
}
,
A
5
= {
2
·
37
;
3
·
31
;
5
·
29
;
7
·
23
;
11
·
19
}
,
A
6
= {
2
·
41
;
3
·
37
;
5
·
31
;
7
·
29
;
11
·
23
}
,
A
7
= {
2
·
43
;
3
·
41
;
5
·
37
;
7
·
23
;
13
·
17
}
,
A
8
= {
2
·
47
;
3
·
43
;
5
·
41
;
7
·
37
;
13
·
19
}
.
By the pigeonhole principle, there exists a set
A
i
, 1

i

8, such that
A
i

T
; if not, the set
S
\
T
would contain eight composite numbers. Each
A
i
contains
five relatively prime numbers and we are done.
Additional Problems
Problem 5.4.2.
The numbers from 1 to 1
,
000
,
000 can be colored black or white.
A permissible move consists in selecting a number from 1 to 1
,
000
,
000 and
changing the color of that number and each number not relatively prime to it.
Initially all of the numbers are black. Is it possible to make a sequence of moves
after which all of the numbers are colored white?
(1999 Russian Mathematical Olympiad)



6
Arithmetic Functions
6.1
Multiplicative Functions
Arithmetic functions are defined on the positive integers and are complex val-
ued. The arithmetic function
f
=
0 is called
multiplicative
if for every pair of
relatively prime positive integers
m
and
n
,
f
(
mn
)
=
f
(
m
)
f
(
n
).
An arithmetic function
f
=
0 is called
completely multiplicative
if the relation
above holds for all positive integers
m
and
n
.
Remarks.
(1) If
f
:
Z

+

C
is multiplicative, then
f
(
1
)
=
1. Indeed, if
a
is
a positive integer for which
f
(
a
)
=
0, then
f
(
a
)
=
f
(
a
·
1
)
=
f
(
a
)
f
(
1
)
and
dividing by
f
(
a
)
yields
f
(
1
)
=
1.
(2) If
f
is multiplicative and
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
is the prime factorization of the
positive integer
n
, then
f
(
n
)
=
f
(
p
α
1
1
)
· · ·
f
(
p
α
k
k
)
; that is, in order to compute
f
(
n
)
it suffices to compute
f
(
p
α
i
i
)
,
i
=
1
, . . . ,
k
.
(3) If
f
is completely multiplicative and
n
=
p
α
1
1
· · ·
p
α
k
k
is the prime factor-
ization of
n
, then
f
(
n
)
=
f
(
p
1
)
α
1
· · ·
f
(
p
k
)
α
k
; that is, in order to compute
f
(
n
)
it suffices to compute
f
(
p
i
)
,
i
=
1
, . . . ,
k
.
An important arithmetic function is the
M¨obius
1
function
defined by
μ(
n
)
=



1
if
n
=
1
,
0
if
p
2
|
n
for some prime
p
,
(

1
)
k
if
n
=
p
1
· · ·
p
k
,
where
p
1
, . . . ,
p
k
are distinct primes.
For example,
μ(
2
)
= −
1,
μ(
6
)
=
1,
μ(
12
)
=
μ(
2
2
·
3
)
=
0.
1
August Ferdinand M¨obius (1790–1868), German mathematician best known for his work in topol-
ogy, especially for his conception of the M¨obius strip, a two-dimensional surface with only one side.
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
105
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/
_6, 
b11856


106

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   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