Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet56/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   52   53   54   55   56   57   58   59   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

Second solution.
We use the second version of Legendre’s formula. It is just
e
2
(
n
)
=
n

S
2
(
n
)
=
n

1 if and only if
S
2
(
n
)
=
1, that is, if and only if
n
is a
power of 2.
Problem 6.5.5.
Let p be an odd prime. Prove that the exponent of p in the prime
factorization of
1
·
3
·
5
· · ·
(
2
m
+
1
)
is
k

1
%
2
m
+
1
p
k
&

%
m
p
k
&
.
Solution.
We have
1
·
3
·
5
· · ·
(
2
m
+
1
)
=
(
2
m
+
1
)
!
m
! ·
2
m
.
Because
p
is odd, the desired exponent is
e
p
(
2
m
+
1
)

e
p
(
m
)
=
k

1
%
2
m
+
1
p
k
&

k

1
%
m
p
k
&
,
and the conclusion follows.


6.5. Exponent of a Prime and Legendre’s Formula
127
Problem 6.5.6.
If p is a prime and p
α
|
n
m
, then p
α

n.
Solution.
Because
n
m
=
n
!
m
!
(
n

m
)
!
,
the exponent of
p
in the prime factorization of
n
m
is
β
=
e
p
(
n
)

e
p
(
m
)

e
p
(
n

m
)
=
k

1
%
n
p
k
&

%
m
p
k
&

%
n

m
p
k
&
.
This sum has at most
s
nonzero terms, where
p
s

n
<
p
s
+
1
. Using the
inequality
x
+
y
− 
x
− 
y

1 for
x
=
m
p
k
and
y
=
n

m
p
k
, it follows that
β

s
. Because
p
α
|
n
m
, we obtain
α

β

s
; hence
p
α

p
s

n
.
Additional Problems
Problem 6.5.7.
(a) If
p
is a prime, prove that for any positive integer
n
,

#
ln
n
ln
p
$
+
n
ln
n
ln
p
k
=
1
1
p
k
<
e
p
(
n
) <
n
p

1
.
(b) Prove that
lim
n
→∞
e
p
(
n
)
n
=
1
p

1
.
Problem 6.5.8.
Show that for all nonnegative integers
m
,
n
, the number
(
2
m
)
!
(
2
n
)
!
m
!
n
!
(
m
+
n
)
!
is also an integer.
(14th International Mathematical Olympiad)
Problem 6.5.9.
Prove that
(
3
a
+
3
b
)
!
(
2
a
)
!
(
3
b
)
!
(
2
b
)
!
(
2
a
+
3
b
)
!
(
a
+
2
b
)
!
(
a
+
b
)
!
a
!
(
b
!
)
2
is an integer for any positive
integers
a
,
b
.
(American Mathematical Monthly)
Problem 6.5.10.
Prove that there exists a constant
c
such that for any positive
integers
a
,
b
,
n
for which
a
! ·
b
! |
n
!
, we have
a
+
b
<
n
+
c
ln
n
.
(Paul Erd˝os)


128
I Fundamentals, 6. Arithmetic Functions
Problem 6.5.11.
Prove that for any integer
k

2, the equation
1
10
n
=
1
n
1
!
+
1
n
2
!
+ · · · +
1
n
k
!
does not have integer solutions such that 1

n
1
<
n
2
<
· · ·
<
n
k
.
(Tuymaada Olympiad)


7
More on Divisibility
7.1
Congruences Modulo a Prime:
Fermat’s Little Theorem
In this section,
p
will denote a prime number. We begin by noticing that it makes
sense to consider a polynomial with integer coefficients
f
(
x
)
=
a
0
+
a
1
x
+ · · · +
a
d
x
d
,
but reduced modulo
p
. If for each
j
,
a
j

b
j
(
mod
p
)
, we write
a
0
+
a
1
x
+ · · · +
a
d
x
d

b
0
+
b
1
x
+ · · · +
b
d
x
d
(
mod
p
),
and talk about the residue class of a polynomial modulo
p
. We will denote the
residue class of
f
(
x
)
by
f
(
x
)
p
. We say that
f
(
x
)
has
degree d modulo p
if
a
d

0
(
mod
p
)
.
For an integer
c
, we can evaluate
f
(
c
)
and reduce the answer modulo
p
to
obtain
f
(
c
)
p
. If
f
(
c
)
p
=
0 modulo
p
, then
c
is said to be a
root of f
(
x
)
modulo p
.
Theorem 7.1.1.
(Lagrange)
If f
(
x
)
has degree d modulo p, then the number of
distinct roots of f
(
x
)
modulo p is at most p.
Proof.
Begin by noticing that if
c
is root of
f
(
x
)
modulo
p
, then
f
(
x
)

f
(
x
)

f
(
c
) (
mod
p
).
Hence
f
(
x
)
≡ [
a
1
+
a
2
(
x
+
c
)
+ · · ·
+
a
d
(
x
d

1
+
x
d

2
c
+ · · · +
xc
d

2
+
c
d

1
)
]
(
x

c
) (
mod
p
),
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
129
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_7, 


130
I Fundamentals, 7. More on Divisibility
and we get
f
(
x
)

f
1
(
x
)(
x

c
)
, where
f
1
(
x
)
is a polynomial of degree
d

1
modulo
p
with integer coefficients. If
c
is another root of
f
(
x
)
modulo
p
such
that
c

c
(
mod
p
)
, then since
f
1
(
c
)(
c

c
)

0
(
mod
p
)
, we have
p
|
f
1
(
c
)(
c

c
)
. Hence, by Euclid’s lemma (Proposition 1.3.2),
p
|
f
1
(
c
)
. Thus
c
is a root of
f
1
(
x
)
modulo
p
.
If now the integers
c
1
,
c
2
, . . . ,
c
k
are the distinct roots of
f
(
x
)
modulo
p
, then
f
(
x
)

(
x

c
1
)(
x

c
2
)
· · ·
(
x

c
k
)
g
(
x
) (
mod
p
).
In fact, the degree modulo
p
of
g
(
x
)
is
d

k
. This implies 0

k

d
.
Theorem 7.1.2.
(Fermat’s little theorem)
Let a be a positive integer and let p be
a prime. Then
a
p

a
(
mod
p
).
Proof.
We induct on
a
. For
a
=
1 everything is clear. Assume that
p
|
a
p

a
.
Then
(
a
+
1
)
p

(
a
+
1
)
=
(
a
p

a
)
+
p

1
k
=
1
p
k
a
k
.
Using the fact that
p
|
p
k
for 1

k

p

1 and the inductive hypothesis, it
follows that
p
|
(
a
+
1
)
p

(
a
+
1
)
, that is,
(
a
+
1
)
p

(
a
+
1
) (
mod
p
)
.
Alternative proof.
Suppose that gcd
(
a
,
p
)
=
1 and let us show that
a
p

1

1
(
mod
p
)
. Consider the integers
a
,
2
a
, . . . , (
p

1
)
a
, whose remainders when
divided by
p
are distinct (otherwise, if
i a

j a
(
mod
p
)
, then
p
|
(
i

j
)
a
, that
is,
p
|
i

j
, which holds only if
i
=
j
). Hence the remainders are 1
,
2
, . . . ,
p

1
in some order and
a
·
(
2
a
)
· · ·
(
p

1
)
a

1
·
2
· · ·
(
p

1
) (
mod
p
),
i.e.,
a
p

1
(
p

1
)
! ≡
(
p

1
)
!
(
mod
p
).
Because
p
and
(
p

1
)
!
are relatively prime, the conclusion follows.
Remark.
The converse is not true. For example, 3
·
11
·
17 divides
a
3
·
11
·
17

a
,
since 3, 11, 17 each divide
a
3
·
11
·
17

a
(for instance, if 11 did not divide
a
, then
from Fermat’s little theorem, we would have 11
|
a
10

1; hence 11
|
a
10
·
56

1,
i.e., 11
|
a
561

a
and 561
=
3
·
11
·
17).
The composite integers
n
satisfying
a
n

a
(
mod
n
)
for any integer
a
are
called
Carmichael numbers
. There exist such integers, for example
n
=
2
·
73
·
1103. For other comments see the remark after Problem 7.3.11.
For problems involving
x
n
it might be good to work modulo a prime
p
with
p

1
(
mod
n
)
.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   52   53   54   55   56   57   58   59   ...   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