Number Theory: Structures, Examples, and Problems


 Nonstandard Diophantine Equations



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet66/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   62   63   64   65   66   67   68   69   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

8.3. Nonstandard Diophantine Equations
165
Additional Problems
Problem 8.3.19.
Determine all triples
(
x
,
k
,
n
)
of positive integers such that
3
k

1
=
x
n
.
(1999 Italian Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.20.
Find all pairs of nonnegative integers
x
and
y
that satisfy the
equation
p
x

y
p
=
1
,
where
p
is a given odd prime.
(1995 Czech–Slovak Match)
Problem 8.3.21.
Let
x
,
y
,
z
be integers with
z
>
1. Show that
(
x
+
1
)
2
+
(
x
+
2
)
2
+ · · · +
(
x
+
99
)
2
=
y
z
.
(1998 Hungarian Mathematical Olympiad)
Problem 8.3.22.
Determine all solutions
(
x
,
y
,
z
)
of positive integers such that
(
x
+
1
)
y
+
1
+
1
=
(
x
+
2
)
z
+
1
.
(1999 Taiwanese Mathematical Olympiad)



9
Some Special Problems in
Number Theory
9.1
Quadratic Residues; the Legendre Symbol
Let
a
and
m
be positive integers such that
m
=
0 and gcd
(
a
,
m
)
=
1. We say that
a
is a
quadratic residue
mod
m
if the congruence
x
2

a
(
mod
m
)
has a solution.
Otherwise, we say that
a
is a quadratic nonresidue.
Let
p
be a prime and let
a
be a positive integer not divisible by
p
. The
Legen-
dre symbol
of
a
with respect to
p
is defined by
a
p
=
1 if
a
is a quadratic residue
(
mod
p
),

1 otherwise.
It is clear that the perfect squares are quadratic residues mod
p
. It is natural to
ask how many integers among 1
,
2
, . . . ,
p

1 are quadratic residues. The answer
is given in the following theorem.
Theorem 9.1.1.
Let p be an odd prime. There are
p

1
2
quadratic residues in the
set
{
1
,
2
, . . . ,
p

1
}
.
Proof.
Consider the numbers
k
2
,
k
=
1
,
2
, . . . ,
p

1
2
. These are quadratic residues,
and moreover, they are distinct. Indeed, if
i
2

j
2
(
mod
p
)
, then it follows that
p
|
(
i

j
)(
i
+
j
)
, and since
i
+
j
<
p
, this implies
p
|
i

j
; hence
i
=
j
.
Conversely, if gcd
(
a
,
p
)
=
1 and the congruence
x
2

a
(
mod
p
)
has a
solution
x
, then
x
=
q p
+
i
, where

p

1
2

i

p

1
2
and so
i
2

q
(
mod
p
)
.
The basic properties of the Legendre symbol are as follows:
(1) (Euler’s criterion) If
p
is an odd prime and
a
an integer not divisible by
p
,
then
a
p

1
2

a
p
(
mod
p
).
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_9, 
167


168
I Fundamentals, 9. Some Special Problems in Number Theory
(2) If
a

b
(
mod
p
)
, then
a
p
=
b
p
.
(3) (multiplicity)
a
1
···
a
n
p
=
a
1
p
· · ·
a
n
p
.
(4)

1
p
=
(

1
)
p

1
2
.
For Euler’s criterion, suppose that
a
p
=
1. Then
i
2

a
(
mod
p
)
for some
integer
i
. We have gcd
(
i
,
p
)
=
1, and from Fermat’s little theorem,
i
p

1

1
(
mod
p
)
. Hence
a
p

1
2

1
(
mod
p
)
and we are done.
If
a
p
= −
1, then each of the congruences
x
p

1
2

1

0
(
mod
p
)
and
x
p

1
2
+
1

0
(
mod
p
)
has
p

1
2
distinct solutions in the set
{
1
,
2
, . . . ,
p

1
}
. The
p

1
2
quadratic residues
correspond to the first congruence, and the
p

1
2
quadratic nonresidues correspond
to the second. Hence if
a
is a quadratic nonresidue, we have
a
p

1
2
≡ −
1
(
mod
p
)
,
and we are done.
Remark.
From Fermat’s little theorem,
a
p

1

1
(
mod
p
)
, and hence
p
|
(
a
p

1
2

1
)(
a
p

1
2
+
1
)
. From Euler’s criterion,
p
|
a
p

1
2

1 if and only if
a
is a quadratic residue mod
p
.
Property (2) is clear. For (3) we apply Euler’s criterion:
a
i
p

a
p

1
2
i
(
mod
p
),
i
=
1
, . . . ,
n
.
Therefore
a
1
p
· · ·
a
n
p

a
p

1
2
1
· · ·
a
p

1
2
n
=
(
a
1
· · ·
a
n
)
p

1
2

a
1
· · ·
a
n
p
(
mod
p
).
In order to prove (4), note that
(

1
)
p

1
2
,

1
p
∈ {−
1
,
1
}
. Hence
p
|
(

1
)
p

1
2


1
p
is just Euler’s criterion for
a
= −
1.
The following theorem gives necessary and sufficient conditions under which
2 is a quadratic residue.
Theorem 9.1.2.
For any odd prime p,
2
p
=
(

1
)
p
2

1
8
.
Proof.
We need the following lemma.


9.1. Quadratic Residues; the Legendre Symbol
169
Lemma.
(Gauss
1
)
If a is a positive integer that is not divisible by p, then from the
division algorithm,
ka
=
pq
k
+
r
k
,
k
=
1
, . . . ,
p

1
2
.
Let b
1
, . . . ,
b
m
be the distinct remainders r
1
, . . . ,
r
(
p

1
)/
2
that are less than
p
2
and let c
1
, . . . ,
c
n
be the other distinct remaining remainders. Then
a
p
=
(

1
)
n
.
Proof of lemma.
We have
m
i
=
1
b
i
n
j
=
1
c
j
=
p

1
2
k
=
1
r
k
=
p

1
2
k
=
1
(
ka

pq
k
)

p

1
2
k
=
1
ka
=
a
p

1
2
p

1
2
!
(
mod
p
).
Because
p
2
<
c
j

p

1,
j
=
1
, . . . ,
n
, we have 1

p

c
j

(
p

1
)/
2. It
is not possible to have
p

c
j
=
b
i
for some
i
and
j
. Indeed, if
b
i
+
c
j
=
p
, then
p
=
as

pq
s
+
at

pq
t
, so
p
|
s
+
t
, which is impossible, since 1

s
,
t

(
p

1
)/
2.
Therefore the integers
b
1
, . . . ,
b
m
,
p

c
1
, . . . ,
p

c
n
are distinct and
{
b
1
, . . . ,
b
m
,
p

c
1
, . . . ,
p

c
n
} =
1
,
2
, . . . ,
p

1
2
.
We obtain
m
i
=
1
b
i
n
j
=
1
(
p

c
j
)
=
p

1
2
!
.
Finally,
(

1
)
n
m
i
=
1
b
i
n
j
=
1
c
j

p

1
2
!
(
mod
p
)
;
hence
a
(
p

1
)/
2

(

1
)
n
(
mod
p
)
. The conclusion now follows from Euler’s
criterion.
In order to prove the theorem we use Gauss’s lemma for
a
=
2. We have
{
r
1
,
r
2
, . . . ,
r
(
p

1
)/
2
} = {
2
,
4
, . . . ,
p

1
}
. The number of integers
k
such that
p
/
2
<
2
k
<
p
is
n
=
p
2

p
4
.
1
Karl Friedrich Gauss (1777–1855), German mathematician who is sometimes called the “prince
of mathematics”. Gauss proved in 1801 the fundamental theorem of arithmetic, and he published
one of the most brilliant achievements in mathematics,
Disquisitiones Arithmeticae
. In this book he
systematized the study of number theory and developed the algebra of congruences.


170

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   62   63   64   65   66   67   68   69   ...   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