Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 Exponent of a Prime and Legendre’s Formula



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet55/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   51   52   53   54   55   56   57   58   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

6.5. Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
123
Theorem 6.5.1.
(Legendre’s formula)
For any prime p and any positive integer n,
e
p
(
n
)
=
i

1
%
n
p
i
&
=
n

S
p
(
n
)
p

1
,
where S
p
(
n
)
is the sum of the digits of n when written in base p.
Proof.
For
n
<
p
it is clear that
e
p
(
n
)
=
0. If
n

p
, then in order to determine
e
p
(
n
)
we need to consider only the multiples of
p
in the product 1
·
2
· · ·
n
, that
is,
(
1
·
p
)(
2
·
p
)
· · ·
(
kp
)
=
p
k
k
!
, where
k
=
n
p
. Hence
e
p
(
n
)
=
%
n
p
&
+
e
p
%
n
p
&
.
Replacing
n
by
n
p
and taking into account that

n
p
p
&
=
%
n
p
2
&
,
we obtain
e
p
%
n
p
&
=
%
n
p
2
&
+
e
p
%
n
p
2
&
.
Continuing this procedure, we get
e
p
%
n
p
2
&
=
%
n
p
3
&
+
e
p
%
n
p
3
&
,
. . .
e
p
%
n
p
m

1
&
=
%
n
p
m
&
+
e
p
%
n
p
m
&
,
where
m
is the least positive integer such that
n
<
p
m
+
1
, that is,
m
=
ln
n
ln
p
.
Summing up the relations above yields
e
p
(
n
)
=
%
n
p
&
+
%
n
p
2
&
+ · · · +
%
n
p
m
&
.
The other relation is not difficult. Indeed, let us write
n
=
a
0
+
a
1
p
+ · · · +
a
k
p
k
,
where
a
0
,
a
1
, . . . ,
a
k
∈ {
0
,
1
, . . . ,
p

1
}
and
a
k
=
0. Then
%
n
p
&
+
%
n
p
2
&
+· · · =
a
1
+
a
2
p
+· · ·+
a
k
p
k

1
+
a
2
+
a
3
p
+· · ·+
a
k
p
k

2
+· · ·+
a
k
.


124
I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
The coefficient of
a
i
on the right-hand side is 1
+
p
+ · · · +
p
i

1
, so using the
formula
1
+
p
+ · · · +
p
i

1
=
p
i

1
p

1
,
we obtain exactly the second part in the expression of
e
p
(
n
)
.
Remark.
An alternative proof of the first half of Legendre’s formula is to note
that
e
p
(
n
)
=
n
k
=
1
v
p
(
k
)
=
n
k
=
1
v
p
(
k
)
m
=
1
1
.
Now look at the total contribution of a particular value of
m
to this double sum.
You will get a contribution of 1 for every multiple of
p
m
in the set
{
1
,
2
, . . . ,
n
}
.
The number of such multiples is
n
p
m
; hence
e
p
(
n
)
=
m

1
%
n
p
m
&
.
Examples.
(1) Let us find the exponent of 7 in 400
!
. Applying Legendre’s for-
mula, we have
e
7
(
400
)
=
%
400
7
&
+
%
400
7
2
&
+
%
400
7
3
&
=
57
+
8
+
1
=
66
.
(2) Let us determine the exponent of 3 in
((
3
!
)
!
)
!
. We have
((
3
!
)
!
)
! =
(
6
!
)
! =
720
!
. Applying Legendre’s formula yields
e
3
(
720
)
=
%
720
3
&
+
%
720
3
2
&
+
%
720
3
3
&
+
%
720
3
4
&
+
%
720
3
5
&
=
240
+
80
+
26
+
8
+
2
=
356
.
Problem 6.5.1.
Let p be a prime. Find the exponent of p in the prime factorization
of
(
p
m
)
!
.
Solution.
Using the first half of Legendre’s formula, we have
e
p
(
p
m
)
=
i

1
%
p
m
p
i
&
=
p
m

1
+
p
m

2
+ · · · +
p
+
1
=
p
m

1
p

1
.
An easier argument for the above formula follows directly from the second
version of Legendre’s formula. Then it is just
S
p
(
p
m
)
=
1, so
e
p
(
p
m
)
=
(
p
m

1
)/(
p

1
)
.
Problem 6.5.2.
Find all positive integers n such that n
!
ends in exactly
1000
zeros.


6.5. Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
125
First solution.
There are clearly more 2’s than 5’s in the prime factorization of
n
!
; hence it suffices to solve the equation
#
n
5
$
+
#
n
5
2
$
+ · · · =
1000
.
But
#
n
5
$
+
#
n
5
2
$
+ · · ·
<
n
5
+
n
5
2
+ · · · =
n
5
1
+
1
5
+ · · ·
=
n
5
·
1
1

1
5
=
n
4
;
hence
n
>
4000.
On the other hand, using the inequality
a
>
a

1, we have
1000
>
n
5

1
+
n
5
2

1
+
n
5
3

1
+
n
5
4

1
+
n
5
5

1
=
n
5
1
+
1
5
+
1
5
2
+
1
5
3
+
1
5
4

5
=
n
5
·
1

1
5
5
1

1
5

5
,
so
n
<
1005
·
4
·
3125
3124
<
4022
.
We have narrowed
n
down to
{
4001
,
4002
, . . . ,
4021
}
. Using Legendre’s for-
mula we find that 4005 is the first positive integer with the desired property and
that 4009 is the last. Hence
n
=
4005, 4006, 4007, 4008, 4009.
Second solution.
It suffices to solve the equation
e
5
(
n
)
=
1000. Using the second
form of Legendre’s formula, this becomes
n

S
5
(
n
)
=
4000. Hence
n
>
4000.
We work our way upward from 4000 looking for a solution. Since
e
5
(
n
)
can
change only at multiples of 5, we step up 5 each time:
e
5
(
4000
)
=
4000

4
5

1
=
999
,
e
5
(
4005
)
=
4005

5
5

1
=
1000
,
e
5
(
4010
)
=
4010

6
5

1
=
1001
.
Any
n
>
4010 will clearly have
e
5
(
n
)

e
5
(
4010
)
=
1001. Hence the only
solutions are
n
=
4005, 4006, 4007, 4008, 4009.
Problem 6.5.3.
Prove that for any positive integer n,
2
n
does not divide n
!
.


126
I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
First solution.
The exponent of 2 in the prime factorization of
n
!
is
k
=
e
2
(
n
)
=
#
n
2
$
+
#
n
2
2
$
+ · · ·
.
We have
k
<
n
2
+
n
2
2
+ · · · =
n
2
1
+
1
2
+ · · ·
=
n
2
·
1
1

1
2
=
n
,
and we are done.
Second solution.
Using the second version of Legendre’s formula, we have
e
2
(
n
)
=
n

S
2
(
n
) <
n
, and we are done.
Remark.
Similarly, for any prime
p
,
p
n
does not divide
((
p

1
)
n
)
!
.
Problem 6.5.4.
Find all positive integers n such that
2
n

1
divides n
!
.
First solution.
If
n
=
2
s
,
s
=
0
,
1
,
2
, . . .
, then
e
2
(
n
)
=
2
s

1
+ · · · +
2
+
1
=
2
s

1
;
hence 2
n

1
divides
n
!
.
Assume that
n
is odd,
n
=
2
n
1
+
1. Then from 2
n

1
=
2
2
n
1
|
(
2
n
1
+
1
)
! =
(
2
n
1
)
!
(
2
n
1
+
1
)
it follows that 2
2
n
1
|
(
2
n
1
)
!
, which is not possible, by Problem
6.5.3. We get
n
=
2
m
1
. If
m
1
is odd,
m
1
=
2
n
2
+
1, we have
2
n

1
=
2
4
n
2
+
1
|
(
4
n
2
+
2
)
! =
(
4
n
2
)
!
(
4
n
2
+
1
)
·
2
·
(
2
n
2
+
1
),
and we obtain 2
4
n
2
|
(
4
n
2
)
!
, a contradiction. Continuing this procedure, we get
n
=
2
s
.

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   51   52   53   54   55   56   57   58   ...   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