Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet81/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   77   78   79   80   81   82   83   84   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

1.2. Prime Numbers
225
Otherwise,
q
n
and
q
n
+
1
are both odd, so
q
n
+
q
n
+
1
+
2000 is even. In this case
q
n
+
2
=
2 divides this number; hence we have
q
n
+
2

1
2
(
q
n
+
q
n
+
1
+
2000
)
=
1
2
(
q
n
+
q
n
+
1
)
+
1000

b
n
+
1000
.
This proves the claim.
Choose
k
large enough that
b
1

k
·
2003
! +
1. We prove by induction that
b
n

k
·
2003
! +
1 for all
n
. If this statement holds for some
n
, then
b
n
+
1

b
n
+
2003

k
·
2003
! +
2003. However, the numbers
k
·
2003
! +
m
for 2

m

2003 are all composite (since
m
is a factor). Since
b
n
+
1
is prime, it follows that
b
n
+
1

k
·
2003
! +
1. Thus,
q
n

b
n

k
·
2003
! +
1 for all
n
.
Problem 1.2.17.
Let a
>
b
>
c
>
d be positive integers and suppose
ac
+
bd
=
(
b
+
d
+
a

c
)(
b
+
d

a
+
c
).
Prove that ab
+
cd is not prime.
(42nd International Mathematical Olympiad)
Solution.
The given equality is equivalent to
a
2

ac
+
c
2
=
b
2
+
bd
+
d
2
. Hence
(
ab
+
cd
)(
ad
+
bc
)
=
ac
(
b
2
+
bd
+
d
2
)
+
bd
(
a
2

ac
+
c
2
),
that is,
(
ab
+
cd
)(
ad
+
bc
)
=
(
ac
+
bd
)(
a
2

ac
+
c
2
).
(
1
)
Now suppose that
ab
+
cd
is prime. It follows from
a
>
b
>
c
>
d
that
ab
+
cd
>
ac
+
bd
>
ad
+
bc
;
(
2
)
hence
ac
+
bd
is relatively prime to
ab
+
cd
. But then (1) implies that
ac
+
bd
divides
ad
+
bc
, which is impossible by (2).
Problem 1.2.18.
Find the least odd positive integer
n
such that for each prime
p
,
n
2

1
4
+
np
4
+
p
8
is divisible by at least four primes.
(Mathematical Reflections)
First solution.
Let
n
=
2
k
+
1 with
k
a nonnegative integer. For
k
=
0
,
1
,
2
,
3 it
is easy to see that when
p
=
2 there are fewer than four prime divisors:
M
=
p
8
+
np
4
+
n
2

1
4
=
p
4
+
n
2
2

1
4
=
p
4
+
n

1
2
p
4
+
n
+
1
2
=
(
p
4
+
k
)(
p
4
+
k
+
1
).


226
II Solutions, 1. Divisibility
Let
k
=
4. Then
M
=
(
p
4
+
4
)(
p
4
+
5
)
=
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)(
p
4
+
5
).
If
p
=
2, then
m
is divisible by 2, 3, 5, 7. If
p
is odd we have
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
2

2
p
+
2
)
=
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
4
p
)
=
1
,
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
4
+
5
)
=
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
4
+
5

p
4

4

4
p
3

4
p
)
=
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
4
p
3
+
8
p
2
+
4
p
+
1
)
=
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
4
p
3
+
8
p
2
+
4
p
+
1

4
p
3

8
p
2

4
p
)
=
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
1
)
=
1
,
and
gcd
(
p
2

2
p
+
2
,
p
4
+
5
)
=
gcd
(
p
2

2
p
+
2
,
4
p
3

8
p
2
+
4
p
+
1
)
=
gcd
(
p
2

2
p
+
2
,
1
)
=
1
.
Thus
p
2
+
2
p
+
2,
p
2

2
p
+
2, and
p
4
+
5 are pairwise coprime. Since
p
4
+
5

2
(
mod 4
)
for all odd
p
, 2
1
is the greatest power of 2 dividing
p
4
+
5.
Since both
p
2
+
2
p
+
2 and
p
2

2
p
+
2 are odd, there is another prime different
from 2 and from the divisors of
p
2
+
2
p
+
2 and
p
2

2
p
+
2 that divides
p
4
+
5,
and so
n
=
9 is the least desired number.
Second solution.
Let
n
=
2
k
+
1. Then
n
2

1
4
+
np
4
+
p
8
=
k
(
k
+
1
)
+
(
2
k
+
1
)
p
4
+
p
8
=
(
p
4
+
k
)(
p
4
+
k
+
1
).
Note that for
k
=
0
,
1
,
2
,
3 the result does not hold for
p
=
2. We prove that
k
=
4 is the least integer that satisfies the condition. For
k
=
4 we have
(
p
4
+
4
)(
p
4
+
5
)
=
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)(
p
4
+
5
).
Since
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)
=
(
p
4
+
5
)

1, we have that
gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
4
+
5
)
=
gcd
(
p
2

2
p
+
2
,
p
4
+
5
)
=
1
.
This implies that any prime that divides
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)
does not
divide
p
4
+
5 and vice versa. Then, it is enough to prove that two primes divide
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)
and another two divide
p
4
+
5.


1.3. The Greatest Common Divisor and Least Common Multiple
227
For
p
=
2 the result holds. Assume that
p
is an odd prime. Note that 2
|
p
4
+
5.
To prove that another prime divides
p
4
+
5 it is enough to prove that 4
p
4
+
5.
This results follows from the fact that 4
|
p
4
+
3.
In order to prove that two primes divide
(
p
2
+
2
p
+
2
)(
p
2

2
p
+
2
)
it is enough
to prove that
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
2

2
p
+
2
)
=
1. Let gcd
(
p
2
+
2
p
+
2
,
p
2

2
p
+
2
)
=
d
.
Note that
d
is odd and that
d
|
4
p
. This implies that
d
|
p
. If
d
=
p
then
p
|
p
2
+
2
p
+
2, which is a contradiction. Therefore,
d
=
1, as we wanted to
prove. This implies that
k
=
4 is the least integer value that satisfies the condition
of the problem, from which we conclude that
n
=
9 is the least odd positive
integer that satisfies the condition.
1.3
The Greatest Common Divisor and
the Least Common Multiple
Problem 1.3.9.
A sequence a
1
,
a
2
, . . .
of natural numbers satisfies
gcd
(
a
i
,
a
j
)
=
gcd
(
i
,
j
)
for all
i
=
j
.
Prove that a
i
=
i for all i .
(1995 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
For any integer
m
, we have gcd
(
a
m
,
a
2
m
)
=
gcd
(
2
m
,
m
)
, and so
m
|
a
m
.
This means that for any other integer
n
,
m
divides
a
n
if and only if
m
divides
gcd
(
a
m
,
a
n
)
=
gcd
(
m
,
n
)
; hence if and only if
m
|
n
. Therefore
a
n
has exactly the
same divisors as
n
and so must equal
n
for all
n
.
Problem 1.3.10.
The natural numbers a and b are such that
a
+
1
b
+
b
+
1
a
is an integer. Show that the greatest common divisor of a and b is not greater than

a
+
b.
(1996 Spanish Mathematical Olympiad)
Solution.
Let
d
=
gcd
(
a
,
b
)
. Adding 2, we see that
a
+
1
b
+
b
+
1
a
+
2
=
(
a
+
b
)(
a
+
b
+
1
)
ab
is an integer. Since
d
2
divides the denominator and gcd
(
d
,
a
+
b
+
1
)
=
1, we
must have
d
2
|
a
+
b
; hence
d


a
+
b
.


228

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   77   78   79   80   81   82   83   84   ...   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