Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet76/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

10.1. Binomial Coefficients
201
First solution.
We first show uniqueness. Suppose
m
is represented by two se-
quences
a
k
, . . . ,
a
t
and
b
k
, . . . ,
b
t
. Find the first position in which they differ;
without loss of generality, assume that this position is
k
and that
a
k
>
b
k
. Then
m

b
k
k
+
b
k

1
k

1
+ · · · +
b
k

k
+
1
1
<
b
k
+
1
k

m
,
a contradiction.
To show existence, apply the greedy algorithm: find the largest
a
k
such that
a
k
k

m
, and apply the same algorithm with
m
and
k
replaced by
m

a
k
k
and
k

1. We need only make sure that the sequence obtained is indeed decreasing,
but this follows because by assumption,
m
<
a
k
+
1
m
, and so
m

a
k
k
<
a
k
k

1
.
Second solution.
Sort all unordered
k
-tuples of distinct nonnegative integers lex-
icographically. Then the
k
-tuple
{
a
k
,
a
k

1
, . . . ,
a
t
,
t

1
,
t

3
, . . . ,
0
}
is preceded
by exactly
a
k
k
+
a
k

1
k

1
+ · · · +
a
t
t
other
k
-tuples. (The first term counts the
number of
k
-tuples whose largest element is smaller than
a
k
. The second term
counts
k
-tuples that begin with
a
k
but whose second-largest element is smaller
than
a
k

1
, etc.) Since there is necessarily a unique
k
-tuple preceded by
m
other
k
-tuples, every
m
has a unique representation in this form.
Problem 10.1.6.
Show that for every positive integer n

3
, the least common
multiple of the numbers
1
,
2
, . . . ,
n is greater than
2
n

1
.
(1999 Czech–Slovak Match)
Solution.
For any
n

3 we have
2
n

1
=
n

1
k
=
0
n

1
k
<
n

1
k
=
0
n

1
n

1
2
=
n
n

1
n

1
2
.
Hence it suffices to show that
n
n

1
n

1
2
divides lcm
(
1
,
2
, . . . ,
n
)
. Using an
argument involving prime factorizations, we will prove the more general assertion
that for each
k
<
n
, lcm
(
n
,
n

1
, . . . ,
n

k
)
is divisible by
n
n

1
k
.
Let
k
and
n
be fixed natural numbers with
k
<
n
, and let
p

n
be an arbitrary
prime. Let
p
α
be the highest power of
p
that divides lcm
(
n
,
n

1
, . . . ,
n

k
)
,
where
p
α
|
n

l
for some
l
. Then for each
i

α
, we know that
p
i
|
n

l
. Thus
exactly
l
p
i
of
{
n

l
+
1
,
n

l
+
2
, . . . ,
n
}
and exactly
k

l
p
i
of
{
n

l

1
,
n

l

2
, . . . ,
n

k
}
are multiples of
p
i
, so
p
i
divides
l
p
i
+
k

l
p
i

k
p
i
of the
remaining
k
numbers, that is, at most the number of multiples of
p
i
between 1
and
k
. It follows that
p
divides
n
n

1
k
=
n
(
n

1
)
· · ·
(
n

l
+
1
)(
n

l

1
)
· · ·
(
n

k
)
k
!
(
n

l
)
at most
α
times, so that indeed
n
n

1
k
|
lcm
(
n
,
n

1
, . . . ,
n

k
)
.


202
I Fundamentals, 10. Problems Involving Binomial Coefficients
Additional Problems
Problem 10.1.7.
Show that the sequence
2002
2002
,
2003
2002
,
2004
2002
, . . . ,
considered modulo 2002, is periodic.
(2002 Baltic Mathematical Competition)
Problem 10.1.8.
Prove that
2
p
p

2
(
mod
p
2
)
for any prime number
p
.
Problem 10.1.9.
Let
k
,
m
,
n
be positive integers such that
m
+
k
+
1 is a prime
number greater than
n
+
1. Let us set
C
s
=
s
(
s
+
1
)
. Show that the product
(
C
m
+
1

C
k
)(
C
m
+
2

C
k
)
· · ·
(
C
m
+
n

C
k
)
is divisible by
C
1
C
2
· · ·
C
n
.
(18th International Mathematical Olympiad)
Problem 10.1.10.
Let
n
,
k
be arbitrary positive integers. Show that there exist
positive integers
a
1
>
a
2
>
a
3
>
a
4
>
a
5
>
k
such that
n
= ±
a
1
3
±
a
2
3
±
a
3
3
±
a
4
3
±
a
5
3
.
(2000 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Problem 10.1.11.
Prove that if
n
and
m
are integers, and
m
is odd, then
1
3
m
n
m
k
=
0
3
m
3
k
(
3
n

1
)
k
is an integer.
(2004 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Problem 10.1.12.
Show that for any positive integer
n
the number
n
k
=
0
2
n
+
1
2
k
+
1
2
3
k
is not divisible by 5.
(16th International Mathematical Olympiad)
Problem 10.1.13.
Prove that for a positive integer
k
there is an integer
n

2 such
that
n
1
, . . . ,
n
n

1
are all divisible by
k
if and only if
k
is a prime.


10.2. Lucas’s and Kummer’s Theorems
203
10.2
Lucas’s and Kummer’s Theorems
The following theorems of E. Lucas
2
(1878) and E. Kummer
3
(1852) are very
useful in number theory. Let
n
be a positive integer, and let
p
be a prime. Let
n
m
n
m

1
· · ·
n
0
p
denote the base-
p
representation of
n
; that is,
n
=
n
m
n
m

1
· · ·
n
0
p
=
n
0
+
n
1
p
+ · · · +
n
m
p
m
,
where 0

n
0
,
n
1
, . . . ,
n
m

p

1 and
n
m
=
0.
Theorem 10.2.1.
(Lucas)
Let p be a prime, and let n be a positive integer with n
=
n
m
n
m

1
· · ·
n
0
p
. Let i be a positive integer less than n. If i
=
i
0
+
i
1
p
+· · ·+
i
m
p
m
,
where
0

i
0
,
i
1
, . . . ,
i
m

p

1
, then
n
i

m
j
=
0
n
j
i
j
(
mod
p
).
(
1
)
Here
0
0
=
1
and
n
j
i
j
=
0
if n
j
<
i
j
.
To prove this theorem, we need some additional techniques. Let
p
be a prime,
and let
f
(
x
)
and
g
(
x
)
be two polynomials with integer coefficients. We say that
f
(
x
)
is congruent to
g
(
x
)
modulo
p
, and write
f
(
x
)

g
(
x
) (
mod
p
)
, if all of
the coefficients of
f
(
x
)

g
(
x
)
are divisible by
p
. (Note that the congruence of
polynomials is different from the congruence of the values of polynomials. For
example,
x
(
x
+
1
)

0
(
mod 2
)
even though
x
(
x
+
1
)
is divisible by 2 for all
integers
x
.) The following properties can be easily verified:
(a)
f
(
x
)

f
(
x
) (
mod
p
)
;
(b) if
f
(
x
)

g
(
x
) (
mod
p
)
, then
g
(
x
)

f
(
x
) (
mod
p
)
;
(c) if
f
(
x
)

g
(
x
) (
mod
p
)
and
g
(
x
)

h
(
x
) (
mod
p
)
, then
f
(
x
)

h
(
x
) (
mod
p
)
;
(d) if
f
(
x
)

g
(
x
) (
mod
p
)
and
f
1
(
x
)

g
1
(
x
) (
mod
p
)
, then
f
(
x
)
±
f
1
(
x
)

g
(
x
)
±
g
1
(
x
) (
mod
p
)
and
f
(
x
)
f
1
(
x
)

g
(
x
)
g
1
(
x
) (
mod
p
).

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   72   73   74   75   76   77   78   79   ...   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