Number Theory: Structures, Examples, and Problems


II Solutions, 1. Divisibility



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet79/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   75   76   77   78   79   80   81   82   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

II Solutions, 1. Divisibility
Problem 1.1.19.
Find the smallest positive integer k such that every k-element
subset of
{
1
,
2
, . . . ,
50
}
contains two distinct elements a
,
b such that a
+
b divides
ab.
(1996 Chinese Mathematical Olympiad)
Solution.
The minimal value is
k
=
39. Suppose
a
,
b

S
are such that
a
+
b
divides
ab
. Let
c
be the greatest common divisor of
a
and
b
, and put
a
=
ca
1
,
b
=
cb
1
, so that
a
1
and
b
1
are relatively prime. Then
c
(
a
1
+
b
1
)
divides
c
2
a
1
b
1
,
so
a
1
+
b
1
divides
ca
1
b
1
. Since
a
1
and
b
1
have no common factor, neither do
a
1
and
a
1
+
b
1
, or
b
1
and
a
1
+
b
1
. In short,
a
1
+
b
1
divides
c
.
Since
S
⊆ {
1
, . . . ,
50
}
, we have
a
+
b

99, so
c
(
a
1
+
b
1
)

99, which
implies
a
1
+
b
1

9; on the other hand, of course
a
1
+
b
1

3. An exhaustive
search produces 23 pairs
a
,
b
satisfying the condition:
a
1
+
b
1
=
3
(
6
,
3
), (
12
,
6
), (
18
,
9
), (
24
,
12
),
(
30
,
15
), (
36
,
18
), (
42
,
21
), (
48
,
24
)
a
1
+
b
1
=
4
(
12
,
4
), (
24
,
8
), (
36
,
12
), (
48
,
16
)
a
1
+
b
1
=
5
(
20
,
5
), (
40
,
10
), (
15
,
10
), (
30
,
20
), (
45
,
30
)
a
1
+
b
1
=
6
(
30
,
6
)
a
1
+
b
1
=
7
(
42
,
7
), (
35
,
14
), (
28
,
21
)
a
1
+
b
1
=
8
(
40
,
24
)
a
1
+
b
1
=
9
(
45
,
36
)
The twelve pairs
(
3
,
6
), (
4
,
12
), (
5
,
20
), (
7
,
42
), (
8
,
24
), (
9
,
18
), (
10
,
40
)
,
(
14
,
35
), (
16
,
48
), (
15
,
30
), (
21
,
28
)
and
(
36
,
45
)
are disjoint. Hence any 39-ele-
ment subset must contain one of these pairs and hence two elements
a
and
b
with
a
+
b
|
ab
. Conversely, the 12-element set
{
6
,
10
,
12
,
18
,
20
,
21
,
24
,
30
,
35
,
42
,
45
,
48
}
meets every pair on the list, so
{
1
,
2
, . . . ,
50
} \ {
6
,
10
,
12
,
18
,
20
,
21
,
24
,
30
,
35
,
42
,
45
,
48
}
is a 38-element set without this property.
1.2
Prime Numbers
Problem 1.2.10.
For each integer n such that n
=
p
1
p
2
p
3
p
4
, where p
1
,
p
2
,
p
3
,
p
4
are distinct primes, let
d
1
=
1
<
d
2
<
d
3
<
· · ·
<
d
16
=
n
be the sixteen positive integers that divide n. Prove that if n
<
1995
, then d
9

d
8
=
22
.
(1995 Irish Mathematical Olympiad)


1.2. Prime Numbers
221
Solution.
Note that 35
·
57
=
1995
=
2
·
3
·
7
·
19. Suppose that
n
<
1995 and
d
9

d
8
=
22; then
d
8
d
9
=
n
, so
d
8
<
35. Moreover,
d
8
cannot be even, since
that would make
n
divisible by 4, whereas
n
has distinct prime factors. Hence
d
8
,
d
9
, and
n
are odd.
The divisors
d
1
, . . . ,
d
8
each are the product of distinct odd primes, since they
divide
n
. Since 3
·
5
·
7
>
35, none of
d
1
, . . . ,
d
8
is large enough to have three odd
prime factors, so each is either prime or the product of two primes. Since
n
has
only four prime factors, four of the
d
i
must be the product of two odd primes. But
the smallest such numbers are
15
,
21
,
33
,
35
, . . . .
Assume that
p
1
<
p
2
<
p
3
<
p
4
. If
d
8
=
p
1
p
4
, then clearly
d
8
=
15 and
d
8
=
21. Moreover, if
d
8
=
33, then
p
1
=
3 and
p
4
=
11; hence
p
2
=
5 and
p
3
=
7, and we get
d
9
=
p
2
p
3
=
35, giving the difference
d
9

d
8
=
2, which is
not possible. If
d
8
=
p
3
p
4
, then
d
8
=
15,
d
8
=
21, and
d
8
=
33, since
p
3
>
3.
In both situations we must have
d
8

35, contrary to assumption.
Problem 1.2.11.
Prove that there are infinitely many positive integers a such that
the sequence
(
z
n
)
n

1
, z
n
=
n
4
+
a, does not contain any prime number.
(11th International Mathematical Olympiad)
Solution.
To consider all positive integers of the form
n
4
+
a
,
n

1, means to
consider all values of the polynomial
P
(
X
)
=
X
4
+
a
in the positive integers. A
decomposition of the polynomial
P
(
X
)
gives us decompositions of the numbers
n
4
+
a
, except in the case of factors taking the value 1.
The polynomial
P
(
X
)
can have a decomposition in integer polynomials only
into quadratic factors:
P
(
X
)
=
(
X
2
+
m X
+
n
)(
X
2
+
m
X
+
n
).
Such a decomposition is possible if and only if
m
+
m
=
0
,
mm
+
n
+
n
=
0
,
mn
+
m
n
=
0 and
nn
=
a
.
We obtain
m
= −
m
,
n
=
n
,
m
2

2
n
=
0, and
n
2
=
a
.
The third equation forces
m
to be even. Taking
m
= −
m
=
2
k
gives
n
=
n
=
2
k
2
and
a
=
4
k
4
. The corresponding factorization is
X
4
+
4
k
4
=
(
X
2

2
k X
+
2
k
2
)(
X
2
+
2
k X
+
2
k
2
)
. For
k

2, these factors are
X
2
±
2
k X
+
2
k
2
=
(
X
±
k
)
2
+
k
2

k
2
,
hence are nontrivial and
X
4
+
4
k
4
is composite.
For the record, this is the third problem to use this factorization.


222
II Solutions, 1. Divisibility
Problem 1.2.12.
Let p
,
q
,
r be distinct prime numbers and let A be the set
A
= {
p
a
q
b
r
c
:
0

a
,
b
,
c

5
}
.
Find the smallest integer n such that any n-element subset of A contains two
distinct elements x
,
y such that x divides y.
(1997 Romanian Mathematical Olympiad)
Solution.
Define an order relation on
A
by setting
p
a
q
b
r
c

p
a
1
q
b
1
r
c
1
iff
a

a
1
,
b

b
1
,
c

c
1
. Thus, we must find the longest antichain with respect to this
relation, that is, the maximal number
m
such that there is
B

A
with
|
B
| =
m
and no two elements of
B
are comparable. The answer will then be
n
=
m
+
1.
From now on, identify
p
a
q
b
r
c
with
(
a
,
b
,
c
)
and regard it as a lattice point in
R
3
. One can easily check that the set
B
= {
(
a
,
b
,
c
)
|
a
,
b
,
c
∈ {
0
,
1
, . . . ,
5
}
,
a
+
b
+
c
=
8
}
has 27 elements and that it is an antichain. We will prove that any set with 28 el-
ements contains two comparable elements. Of course, it suffices to find 27 chains
that partition
{
(
a
,
b
,
c
)
|
0

a
,
b
,
c

5
}
and such that each chain has a unique
representation from
B
. Take
A
= {
(
a
,
b
)
|
0

a
,
b

5
}
and partition it into six
chains (draw a picture!)
A
1
= {
(
0
,
0
), (
0
,
1
), . . . , (
0
,
5
), (
1
,
5
), . . . , (
5
,
5
)
}
,
A
2
= {
(
1
,
0
), (
1
,
1
), . . . , (
1
,
4
), (
2
,
4
), . . . , (
5
,
4
)
}
,
A
3
= {
(
2
,
0
), (
2
,
1
), . . . , (
2
,
3
), (
3
,
3
), . . . , (
5
,
3
)
}
,
A
4
= {
(
3
,
0
), (
3
,
1
), (
3
,
2
), (
4
,
2
), (
5
,
2
)
}
,
A
5
= {
(
4
,
0
), (
4
,
1
), (
5
,
1
)
}
,
A
6
= {
(
5
,
0
)
}
.
Next define
A
1
j
= {
(
a
,
b
,
j
)
|
(
a
,
b
)

A
1
}
and similarly for
A
2
,
A
3
. We
have found 18 chains so far.
For
(
a
,
b
)

A
4

A
5

A
6
we define the chain
A
(
a
,
b
)
= {
(
a
,
b
,
j
)
|
0

j

5
}
, and we have 9 chains, for a total of 27 chains.
Problem 1.2.13.
Prove Bonse’s inequality:
p
1
p
2
· · ·
p
n
>
p
2
n
+
1
for n

4
, where p
1
=
2
, p
2
=
3
, . . .
is the increasing sequence of prime
numbers.



Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   75   76   77   78   79   80   81   82   ...   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