Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet90/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   86   87   88   89   90   91   92   93   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

Second solution.
In problems of this type, computing
z
n
=

x
n
asymptotically
usually works.
From lim
n
→∞
b
2
n
(
b

1
)
x
n
=
1 we infer that lim
n
→∞
b
n
z
n
=

b

1. Furthermore,
from
(
bz
n
+
z
n
+
1
)(
bz
n

z
n
+
1
)
=
b
2
x
n

x
n
+
1
=
b
n
+
2
+
3
b
2

2
b

5
we obtain
lim
n
→∞
(
bz
n

z
n
+
1
)
=
b

b

1
2
.


2.1. Perfect Squares
247
Since the
z
n
’s are integers for all
n

M
, we conclude that
bz
n

z
n
+
1
=
b

b

1
2
for all
n
sufficiently large. Hence
b

1 is a perfect square, and moreover,
b
divides
2
z
n
+
1
for all large
n
. Hence
b
divides 2
x
n
+
1

10
(
mod
b
)
for all large
n
. It
follows that
b
|
10; hence the only possibility is
b
=
10.
Problem 2.1.16.
Do there exist three natural numbers greater than
1
, such that
the square of each, minus one, is divisible by each of the others?
(1996 Russian Mathematical Olympiad)
Solution.
Such integers do not exist. Suppose
a

b

c
satisfy the desired
condition. Since
a
2

1 is divisible by
b
, the numbers
a
and
b
are relatively prime.
Hence the number
c
2

1, which is divisible by
a
and
b
, must be a multiple of
ab
,
so in particular
c
2

1

ab
. But
a

c
and
b

c
, so
ab

c
2
, a contradiction.
Problem 2.1.17.
(a) Find the first positive integer whose square ends in three
4
’s.
(b) Find all positive integers whose squares end in three
4
’s.
(c) Show that no perfect square ends with four
4
’s.
(1995 United Kingdom Mathematical Olympiad)
Solution.
It is easy to check that 38
2
=
1444 is the first positive integer whose
square ends in three 4’s. Now let
n
be any such positive integer. Then
n
2

38
2
=
(
n

38
)(
n
+
38
)
is divisible by 1000
=
2
3
·
5
3
. Hence at least one of
n

38,
n
+
38 is divisible by 4, and thus both are, since their difference is 76
=
4
·
19.
Since 5
76, then 5 divides only one of the two factors. Consequently
n

38 or
n
+
38 is a multiple of 4
·
5
3
=
500, so we have
n
=
500
k
±
38. It is easy to check
that the square of all numbers of this form (where
k
is a positive integer) end in
three 4’s.
Note that (c) follows from Problem 2.1.12.
Problem 2.1.18.
Let abc be a prime. Prove that b
2

4
ac cannot be a perfect
square.
(Mathematical Reflections)
First solution.
Assume that
b
2

4
ac
is a perfect square and then let
b
2

4
ac
=
k
2
,
k

N
. We have
4
a
·
abc
=
4
a
·
(
100
a
+
10
b
+
c
)
=
400
a
2
+
40
ab
+
4
ac
=
(
20
a
+
b
)
2

(
b
2

4
ac
)
=
(
20
a
+
b
+
k
)(
20
a
+
b

k
).
(

)
Since
a
,
b
,
k

N
, then
(
20
a
+
b
+
k
)

Z
and
(
20
a
+
b

k
)

Z
. Since
abc
is a prime, then according to
(

)
,
abc
|
(
20
a
+
b
+
k
)
or
abc
|
(
20
a
+
b

k
).


248
II Solutions, 2. Powers of Integers
It follows that
abc

20
a
+
b
+
k
or
abc

20
a
+
b

k
. This leads to a
contradiction, since 20
a
+
b
+
k
<
abc
and 20
a
+
b

k
<
abc
. Hence,
abc
cannot be a perfect square. This completes our proof.
Second solution.
It is clear that
a
,
b
,
c

N
,
a
=
0, and gcd
(
a
,
b
,
c
)
=
1. If
x
1
=
u
and
x
2
=
v
are the solutions of the equation
ax
2
+
bx
+
c
=
0, then we
obtain the factorization
ax
2
+
bx
+
c
=
a
(
x

u
)(
x

v)
. On the other hand, if
the discriminant
D
=
b
2

4
ac
=
h
2
,
h

N
, is a perfect square, the solutions of
the equation
ax
2
+
bx
+
c
are rational. The factorization is such that
a
x


b
+
h
2
a
x


b

h
2
a
=
p
,
where
p
is prime. We have
x
=
10 and
abc
=
a
·
10
2
+
b
·
10
+
c
=
p
; thus
(
2
ax
+
b

h
)(
2
ax
+
b
+
h
)
=
4
ap
.
Since
b
and
h
have the same parity, we get
ax
+
b

h
2
ax
+
b
+
h
2
=
ap
.
One of the factors on the left-hand side should be divisible by
p
, but clearly
ax
+
b

h
2
,
ax
+
b
+
h
2

100, a contradiction. Thus
b
2

4
ac
cannot be a
perfect square.
Problem 2.1.19.
For each positive integer n, denote by s
(
n
)
the greatest integer
such that for all positive integers k

s
(
n
)
, n
2
can be expressed as a sum of
squares of k positive integers.
(a) Prove that s
(
n
)

n
2

14
for all n

4
.
(b) Find a number n such that s
(
n
)
=
n
2

14
.
(c) Prove that there exist infinitely many positive integers n such that
s
(
n
)
=
n
2

14
.
(33rd International Mathematical Olympiad)
Solution.
(a) Representing
n
2
as a sum of
n
2

13 squares is equivalent to repre-
senting 13 as a sum of numbers of the form
x
2

1,
x

N
, such as 0
,
3
,
8
,
15
, . . .
.
But it is easy to check that this is impossible, and hence
s
(
n
)

n
2

14.
(b) Let us prove that
s
(
13
)
=
13
2

14
=
155. Observe that
13
2
=
8
2
+
8
2
+
4
2
+
4
2
+
3
2
=
8
2
+
8
2
+
4
2
+
4
2
+
2
2
+
2
2
+
1
2
=
8
2
+
8
2
+
4
2
+
3
2
+
3
2
+
2
2
+
1
2
+
1
2
+
1
2
.


2.1. Perfect Squares
249
Given any representation of
n
2
as a sum of
m
squares one of which is even,
we can construct a representation as a sum of
m
+
3 squares by dividing the
square into four equal squares. Thus the first equality enables us to construct
representations with 5
,
8
,
11
, . . . ,
155 squares, the second to construct ones with
7
,
10
,
13
, . . . ,
154 squares, and the third with 9
,
12
, . . . ,
153 squares. It remains
only to represent 13
2
as a sum of
k
=
2
,
3
,
4
,
6 squares. This can be done as
follows:
13
2
=
12
2
+
5
2
=
12
2
+
4
2
+
3
2
=
11
2
+
4
2
+
4
2
+
4
2
=
12
2
+
3
2
+
2
2
+
2
2
+
2
2
+
2
2
.
(c) We shall prove that whenever
s
(
n
)
=
n
2

14 for some
n

13, it also
holds that
s
(
2
n
)
=
(
2
n
)
2

14. This will imply that
s
(
n
)
=
n
2

14 for any
n
=
2
t
·
13.
If
n
2
=
x
2
1
+ · · · +
x
2
r
, then we have
(
2
n
)
2
=
(
2
x
1
)
2
+ · · · +
(
2
x
r
)
2
. Replacing
(
2
x
i
)
2
with
x
2
i
+
x
2
i
+
x
2
i
+
x
2
i
as long as it is possible, we can obtain representations
of
(
2
n
)
2
consisting of
r
,
r
+
3
, . . . ,
4
r
squares. This gives representations of
(
2
n
)
2
into
k
squares for any
k

4
n
2

62. Further, we observe that each number
m

14
can be written as a sum of
k

m
numbers of the form
x
2

1,
x

N
, which is
easy to verify. Therefore if 2
n
2

k

4
n
2

14, it follows that 4
n
2

k
is a sum
of
k
numbers of the form
x
2

1 (since
k

4
n
2

k

14), and consequently 4
n
2
is a sum of
k
squares.
Remark.
One can find exactly the value of
s
(
n
)
for each
n
:
s
(
n
)
=



1
,
if
n
has a prime divisor congruent to 3 mod 4
,
2
,
if
n
is of the form 5
·
2
k
,
k
a positive integer
,
n
2

14
,
otherwise
.
Problem 2.1.20.
Let A be the set of positive integers representable in the form
a
2
+
2
b
2
for integers a
,
b with b
=
0
. Show that if p
2

A for a prime p, then
p

A.
(1997 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)
Solution.
The case
p
=
2 is easy, so assume
p
>
2. Note that if
p
2
=
a
2
+
2
b
2
,
then 2
b
2
=
(
p

a
)(
p
+
a
)
. In particular,
a
is odd, and since
a
cannot be divisible
by
p
, gcd
(
p

a
,
p
+
a
)
=
gcd
(
p

a
,
2
p
)
=
2. By changing the sign of
a
, we
may assume that
p

a
is not divisible by 4, and so
|
p
+
a
| =
m
2
,
|
p

a
| =
2
n
2
.
Since
|
a
|
<
|
p
|
, both
p
+
a
and
p

a
are actually positive, so we have
2
p
=
m
2
+
2
n
2
, so
p
=
n
2
+
2
(
m
/
2
)
2
.


250

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   86   87   88   89   90   91   92   93   ...   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