Лемма об уточнении показателя
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Дано 101-значное число и произвольное натуральное число . Докажите, что найдется такое не более чем 102-значное число натуральное число , что любое число вида - составное.
Источники:
Из признака делимости на (необходимо рассмотреть знакочередующуюся сумму блоков по 101 цифре с конца) следует, что
числа в которых количество в записи отличается на четное число имеют одинаковые остатки при делении на
Заметим, что , а еще по лемме об уточнении показателя не делится на , поэтому у есть простой
делитель отличный от 11
Достаточно сделать так, чтобы и делились на 11 и на соответственно. Такое существует и не превосходит
по китайской теореме об остатках.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
При каких натуральных существуют натуральное и простое для которых
При левая часть равна так что подходит и Пусть теперь нечётно. Тогда По лемме об уточнении показателя для модуля
Значит, при выражение делится на но не на и Если же то выражение делится на но не на а значит, Таким образом, мы убедились, что решения существуют только при
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Докажите, что не существует натурального такого, что число представимо в виде произведения последовательных натуральных чисел.
Предположим противное. Пусть искомое число существует. Произведение натуральных чисел кратно следовательно нечетно, а значит кратно аналогично кратно
В силу LTE, с другой стороны, произведение 50 натуральных чисел кратно но в силу теоремы Лежандра
следовательно, Аналогично,
Таким образом, то есть тем самым получено противоречие.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Докажите, что для любого натурального существует натуральное такое, что делится на
Решение 1.
Лемма. Для любого натурального найдётся натуральное такое что
Доказательство. Индукция по База индукции: Годится Переход индукции. Если то
Лемма доказана.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Утверждение задачи тоже доказываем индукцией по База: делится на . Переход. Пусть делится на Хотим добиться делимости на Пусть таково, что Можем считать, что не делится на а также что Тогда рассмотрим разность
Так как оба числа и делятся на и не делятся на то делится на
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Решение 2.
Покажем, что является показателем числа по модулю (при условии Этот показатель является делителем числа т.е. является степенью двойки. Но при любом натуральном верно Значит, показатель в самом деле равен
Таким образом, степени числа пробегают ровно четверть всевозможных остатков по модулю Но по модулю эти степени могут давать лишь остатки и а значит, степени числа пробегают все остатки по модулю дающие или по модулю В частности, остаток тоже пробегают.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Известно, что при всех натуральных число является точным кубом. Докажите, что
Выберем какое-нибудь нечётное Тогда Рассмотрим разность Предположим, что она делится на какое-нибудь простое Тогда по LTE Заметим теперь, что при или эта сумма не делится на а значит, число не является кубом. Значит, предположение было ошибочным, и Выберем Предыдущее рассуждение можно применить к числу вместо и оно сработает, если Осталось рассмотреть случай, когда Заметим, что Значит, число (очевидно, нечётное), должно быть степенью двойки, то есть равняться единице.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Пусть — простое число, и — натуральные числа такие, что Каким может быть количество натуральных делителей числа
При уравнение имеет вид и не имеет решений в натуральных числах, следовательно, нечетно.
Если является нечетным, то число
так же нечетно, что невозможно, следовательно кратно
Предположим, что кратно Степень вхождения в правую часть равна что, в силу LTE для числа равно следовательно, а значит С другой стороны,
что влечет противоречие.
Таким образом, дает остаток при делении на — четно. Тогда то есть кратно а значит, в силу LTE,
то есть степень вхождения 2 в левую часть исходного уравнения что не превосходит
Таким образом, верна серия неравенств
При верны неравенства и сложив которые получим противоречие.
Если то уравнение имеет вид
В случае, если является составным (обозначим его произвольный делитель за ), имеем
кратно что невозможно в силу простоты а значит — так же простое число.
При уравнение имеет решение, количество делителей числа равно
Если то число делителей числа равно (делителями являются числа и ).
или
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найдите степень вхождения в
Запишем выражение в виде Пусть — некоторый простой делитель тогда по имеем:
Следовательно, степень вхождения во всё выражение равна для каждого простого делителя Получается, что степень вхождения равна
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Решите в натуральных числах уравнение
Предположим, что не делится на В таком случае потому что кратно Но потому что и натуральные. Следовательно, кратно Предположим, что то Ясно, что иначе левая часть больше правой. Если то Таким образом, степень вхождения в левую часть равна то есть меньше, чем степень вхождения в правую часть, противоречие. То есть Сократим равенство на получим уравнение
Итак, теперь и не делятся на а — делится (доказывается так же, как мы это делали в начале). Тогда по имеем:
С другой стороны, она равна Отсюда получаем Учитывая, что ни на что кроме не делится,
Таким образом, то есть Пусть, не умаляя общности, тогда при Значит, но этот случай не подходит.
Нет решений
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Решите в натуральных числах уравнение
Преобразуем к виду Пусть нечётен. Тогда не делится на откуда и Теперь рассмотрим случай, когда Заметим, что Применим здесь LTE по модулю
Сделаем грубую оценку: откуда Таким образом, решения имеются только тогда, когда — иначе двойка входит в левую часть в меньшей степени, чем в правую, и равенство недостижимо. Значит, откуда или Простой подстановкой получаем, что в первом случае во втором случае
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
На доске написаны цифр в ряд. Докажите, что к ним можно приписать несколько цифр слева и не более цифр справа так, чтобы получилась степень двойки.
Рассмотрим остатки степеней двойки по модулю Покажем,что двойка — первообразный корень по модулю Заметим, что только если (проверка остатков степеней по модулю ). Пусть Теперь по LTE То есть откуда и Таким образом, двойка — действительно первообразный корень по этому модулю. Следовательно, по модулю степени двойки дают различных остатков — в точности те, что взаимно просты с (так как степень двойки не кратна пяти). Значит, существуют степени двойки, сравнимые по модулю с То есть существуют степени двойки, сравнимые по модулю с (домножаем все предыдущие степени и их остатки на это можно сделать, поскольку и взаимно просты). Заметим теперь, что каждый следующий остаток отличается от предыдущего не более чем на Значит, на каждом шаге -ая с конца цифра соответствующей степени двойки увеличивается не более, чем на а отсюда следует, что такими шагами мы получим на местах с по любую комбинацию цифр. Собственно, выберем степень двойки, на которой мы получили данную комбинацию - она и будет искомой, которая получается дописыванием цифр.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Найдите все такие натуральные что целое.
Пусть — наименьший простой делитель числа Тогда и Получаем, что Обозначим через показатель числа 2 по модулю Тогда и Значит, и потому либо либо (иначе в найдется простой делитель меньший ). При получаем, что — противоречие. Поэтому и Значит,
Теперь применим LTE:
откуда следует, что
Пусть Если то — ответ. В противном случае — нечетно, и пусть — наименьший простой делитель Тогда Получаем: и ) Пусть — порядок двойки по модулю Тогда и Ho поэтому значит, Если то — противоречие. При получаем, что — противоречие. Если то и — противоречие. Значит, Тогда и
Получаем, что Однако, перебрав все остатки по модулю легко убедиться, что это невозможно. Таким образом, мы получаем противоречие.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
На какую максимальную степень пятерки делится выражение ?
Первое решение.
Второе решение.
Замечание.
— неверное рассуждение
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
При каких натуральных существуют натуральное и простое , для которых ?
Поймем, что , очевидно, подходит. При левая часть равна , так что подходит и . Пусть теперь нечётно. Тогда . По лемме об уточнении показателя для модуля 7, . Значит, при выражение делится на , но не на , и . Если же , то выражение делится на , но не на , а значит, . Таким образом, мы убедились, что решения существуют только при или .
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Известно, что при всех натуральных число является точным кубом. Докажите, что .
Выберем какое-нибудь нечётное . Тогда . Рассмотрим разность . Предположим, что она делится на какое-нибудь простое . Тогда по LTE . Заметим теперь, что при или эта сумма не делится на , а значит, число не является кубом. Значит, предположение было ошибочным, и . Выберем . Предыдущее рассуждение можно применить к числу вместо , и оно сработает, если . Осталось рассмотреть случай, когда . Заметим, что . Значит, число (очевидно, нечётное), должно быть степенью двойки, то есть равняться единице.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
На доске написаны цифр в ряд. Докажите, что к ним можно приписать несколько цифр слева и не более цифр справа так, чтобы получилась степень двойки.
Рассмотрим остатки степеней двойки по модулю .Покажем,что двойка — первообразный корень по модулю . Заметим, что делится на , только если делится на 4 (проверка остатков степеней 2 по модулю 5). Пусть . Теперь по LTE . То есть , откуда и .
Таким образом, двойка — действительно первообразный корень по этому модулю. Следовательно, по модулю степени двойки дают различных остатков — в точности те, что взаимно просты с (так как степень двойки не кратна пяти). Значит, существуют степени двойки, сравнимые по модулю с . То есть существуют степени двойки, сравнимые по модулю с
(домножаем все предыдущие степени и их остатки на , это можно сделать, поскольку и взаимно просты).
Заметим теперь, что каждый следующий остаток отличается от предыдущего не более чем на . Значит, на каждом шаге -ая с конца цифра соответствующей степени двойки увеличивается не более, чем на 1, а отсюда следует, что такими шагами мы получим на местах с по любую комбинацию цифр. Собственно, выберем степень двойки, на которой мы получили данную комбинацию — она и будет искомой, которая получается дописыванием цифр.
Ошибка.
Попробуйте повторить позже
Лемма об уточнении показателя, ЛоУП, lifting the exponent lemma, LTE.
Пусть и — различные целые числа, — натуральное число, а — нечетное простое число, НЕ ДЕЛЯЩЕЕ и .
ЕСЛИ делится на , то
Будем вести индукцию по .
(a) Докажите базу для .
Решение. Заметим, что . Поскольку
, правая скобка по модулю сравнима с , что, очевидно, не кратно .
(b) Докажите, пожалуйста, базу и для . Это пригодится в дальнейшем.
Решение. Докажем для . Аналогично предыдущему пункту, заметим, что
Поскольку , правая скобка по модулю сравнима с , то есть делится на . Теперь остаётся доказать, что она не делится на . Будем действовать так: заметим, что если , то . Подставим это выражение вместо в скобку, получим следующее выражение: . Если записывать его как многочлен от , оно примет вид
раскрываем каждую скобочку по биному Ньютона и смотрим на свободные члены и члены первой степени - очевидно, остальные делятся на , и влиять на наше утверждение не будут
складываем все члены с и замечаем, что нечётно, а значит, эта сумма делится на
(c) Докажите индукционный переход.
Решение. Пусть . Тогда заметим, что
Т.к. основания степеней сравнимы по модулю , можно применить здесь доказанную в предыдущем пункте базу для . Получим
Выполнив аналогичное действие раз, получим, что
Но это, согласно первому пункту, равно
Замечание. Заметим ещё, что вышеприведённое решение не работает при , т.к. в этом случае не кратен . Недостающую для этой делимости двойку можно получить из , если оно чётно, а это равносильно тому, что кратно . Таким образом, если кратно , то LTE для выполняется.