Тема Остатки и сравнения по модулю

Лемма об уточнении показателя

Вспоминай формулы по каждой теме
Решай новые задачи каждый день
Вдумчиво разбирай решения
ШКОЛКОВО.
Готовиться с нами - ЛЕГКО!
Подтемы раздела остатки и сравнения по модулю
Решаем задачи

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 1#82679

Дано 101-значное число a  и произвольное натуральное число b  . Докажите, что найдется такое не более чем 102-значное число натуральное число c  , что любое число вида caaa...ab  - составное.

Источники: СПБГОР - 2024, 11.4 (см. www.pdmi.ras.ru)

Показать доказательство

Из признака делимости на 10101+1  (необходимо рассмотреть знакочередующуюся сумму блоков по 101 цифре с конца) следует, что числа в которых количество a  в записи отличается на четное число имеют одинаковые остатки при делении на  101
10   +1
Заметим, что  101
10   +1 ≡11 0  , а еще по лемме об уточнении показателя  101
10   +1  не делится на  2
11  , поэтому у   101
10  + 1  есть простой делитель p  отличный от 11
Достаточно сделать так, чтобы cb  и cab  делились на 11 и на p  соответственно. Такое c  существует и не превосходит         101
11× p≤ 10  + 1  по китайской теореме об остатках.

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 2#83957

При каких натуральных n> 1  существуют натуральное a  и простое p,  для которых 3p +4p = an?

Показать ответ и решение

При p= 2  левая часть равна 32+ 42 =52,  так что подходит и n= 2.  Пусть теперь p  нечётно. Тогда 3p+ 4p = 3p− (−4)p.  По лемме об уточнении показателя для модуля 7,

   p     p
v7 (3 − (− 4) )= v7(3− (− 4))+ v7(p)

Значит, при p⁄= 7  выражение делится на 7,  но не на 72,  и n =1.  Если же p=,7  то выражение делится на 72,  но не на 73,  а значит, n ≤2.  Таким образом, мы убедились, что решения существуют только при n= 2.

Ответ:

 n =2

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 3#83958

Докажите, что не существует натурального a <1010  такого, что число a2022− 1  представимо в виде произведения 50  последовательных натуральных чисел.

Показать доказательство

Предположим противное. Пусть искомое число a  существует. Произведение 50  натуральных чисел кратно 2,  следовательно a  нечетно, а значит  2
a − 1  кратно 4,  аналогично  2
a − 1  кратно 3.

В силу LTE,    2022         2                2
v2(a    − 1)= v2(a − 1)+ v2(1011) =v2(a − 1),  с другой стороны, произведение 50 натуральных чисел кратно 50!,  но в силу теоремы Лежандра

        [50]  [50]  [50]
v2(50!)=  2- + -4 +  -8 + ...> 40

следовательно, v2(a2− 1)> 40.  Аналогично, v3(a2− 1)> 20.

Таким образом, 1020 ≥ a2 > a2− 1 >240320,  то есть 100=102 > 2432 =16⋅9= 144,  тем самым получено противоречие.

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 4#83959

Докажите, что для любого натурального n  существует натуральное k  такое, что 51k− 17  делится на 2n.

Показать доказательство

Решение 1.

Лемма. Для любого натурального n ≥3  найдётся натуральное l,  такое что   ( l  )
v251 − 1 =n.

Доказательство. Индукция по n.  База индукции: n =3.  Годится l= 2.  Переход индукции. Если   (  l  )
v2 51 − 1 = n,  то

  ( 2l  )    (  l  )    (  l  )
v2 51 − 1 = v2 51 − 1 +v2 51 +1  =n +1

Лемма доказана.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Утверждение задачи тоже доказываем индукцией по n.  База: 512− 17  делится на 23 = 8  . Переход. Пусть 51k− 17  делится на  2n.  Хотим добиться делимости на 2n+1.  Пусть l  таково, что   (    )
v251l− 1 =n.  Можем считать, что 51k− 17  не делится на 17,  а также что k >l.  Тогда рассмотрим разность

(      )       (     )
51k− 17 − 51k−l⋅ 51l− 1 = 51k−l− 17

Так как оба числа (      )
 51k− 17 и      (     )
51k−l⋅ 51l− 1 делятся на 2n  и не делятся на 2n+1,  то 51k−l− 17  делится на 2n+1.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Решение 2.

Покажем, что 2n−2  является показателем числа 51  по модулю 2n  (при условии n≥ 3).  Этот показатель является делителем числа ϕ(2n)= 2n−1,  т.е. является степенью двойки. Но при любом натуральном s  верно   (      )
v2 512s − 1 = s+ 21.  Значит, показатель в самом деле равен 2n−2.

Таким образом, степени числа 51  пробегают ровно четверть всевозможных остатков по модулю 2n.  Но по модулю 8  эти степени могут давать лишь остатки 1  и 3,  а значит, степени числа 51  пробегают все остатки по модулю 2n,  дающие 1  или 3  по модулю   8.  В частности, остаток 1  тоже пробегают.

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 5#83960

Известно, что при всех натуральных n  число 4(an+ 1)  является точным кубом. Докажите, что a =1.

Показать доказательство

Выберем какое-нибудь нечётное n.  Тогда 4(an +1)= 4(an − (−1)n).  Рассмотрим разность a− (− 1)=a +1.  Предположим, что она делится на какое-нибудь простое p ⁄=2.  Тогда по LTE    n      n
vp(a  − (−1) )=vp(a+1)+ vp(n).  Заметим теперь, что при n= p  или     2
n = p  эта сумма не делится на 3,  а значит, число не является кубом. Значит, предположение было ошибочным, и        k
a+ 1= 2.  Выберем n= 3t.  Предыдущее рассуждение можно применить к числу  3
a  вместо a,  и оно сработает, если  3     s
a + 1⁄= 2.  Осталось рассмотреть случай, когда        k 3      s
a+ 1= 2 ,a + 1= 2 .  Заметим, что  3          (2      )
a + 1= (a +1) a − a+ 1 .  Значит, число  2
a − a +1  (очевидно, нечётное), должно быть степенью двойки, то есть равняться единице.

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 6#83962

Пусть p   — простое число, a  и n   — натуральные числа такие, что pa−-1= 2n.
p − 1  Каким может быть количество натуральных делителей числа na?

Показать ответ и решение

При p= 2  уравнение имеет вид 2a− 1= 2n  и не имеет решений в натуральных числах, следовательно, p  нечетно.

Если a  является нечетным, то число

pa− 1   a− 1  a−2
p-− 1-= p  +p   + ...+ p+1

так же нечетно, что невозможно, следовательно a  кратно 2.

Предположим, что p− 1  кратно 4.  Степень вхождения 2  в правую часть равна v2(pa− 1)− v2(p− 1),  что, в силу LTE для числа pa− 1,  равно v2(a),  следовательно, v2(a)= n,  а значит a≥ 2n.  С другой стороны,

     a
2n = p-−-1 =pa−1+ pa−2 +...+ p+ 1> a
     p− 1

что влечет противоречие.

Таким образом, p  дает остаток 3  при делении на 4,a  — четно. Тогда p2 ≡ 32 ≡ 1 (mod 4),  то есть p2− 1  кратно 4,  а значит, в силу LTE,

v(pa− 1)= v (p2− 1)+v (a∕2)= v(p+ 1)+v (p− 1)+ v(a)− 1
 2        2        2       2       2        2

то есть степень вхождения 2 в левую часть исходного уравнения v2(p+ 1)+ v2(a)− 1,  что не превосходит

log (p +1)+ log (a)− 1= log (p+1)a
  2         2         2  2

Таким образом, верна серия неравенств

 a
p-−-1= 2n ≤ (p+-1)a
 p− 1         2

pa− 1 ≤ a (p2− 1)
       2

 a  a  ap2
p + 2 ≤ 2 + 1

При a> 2  верны неравенства a∕2> 1  и a    2a   a 2
p =(p )2 > 2p ,  сложив которые получим противоречие.

Если a= 2,  то уравнение имеет вид

p+1 =2n

В случае, если n  является составным (обозначим его произвольный делитель за d  ), имеем

    n      d nd
p= 2 − 1= (2 ) − 1

кратно 2d− 1> 1,  что невозможно в силу простоты p,  а значит n  — так же простое число.

При n =2  уравнение p+ 1= 4  имеет решение, количество делителей числа an =2n  равно 3.

Если n⁄= 2,  то число делителей числа an =2n  равно 4  (делителями являются числа 1,2,n  и 2n  ).

Ответ:

 3  или 4

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 7#82093

Найдите степень вхождения 1991  в

   19911992     19911990
1990      +1992
Показать ответ и решение

Запишем выражение в виде (199019911992 + 1)+(199219911990 − 1).  Пусть p  — некоторый простой делитель 1991,  тогда по LTE  имеем:

     19911992           19911992                     1992
vp(1990      + 1)=vp(1990      − (−1))=vp(1991)+ vp(1991  )= 1993⋅vp(1991)

      19911990                   1990
vp(1992      − 1)= vp(1991)+ vp(1991 )= 1991⋅vp(1991)

Следовательно, степень вхождения p  во всё выражение равна 1991⋅vp(1991)  для каждого простого делителя p.  Получается, что степень вхождения 1991  равна 1991.

Ответ:

 1991

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 8#82094

Решите в натуральных числах уравнение

 2009  2009  z
x   + y   = 7
Показать ответ и решение

Предположим, что x+ y  не делится на 7.  В таком случае x+y =1,  потому что 7z = x2009+ y2009  кратно x+ y.  Но x+ y > 1,  потому что x  и y  натуральные. Следовательно, x +y  кратно 7.  Предположим, что v7(x)= k,  то    2009
v7(x   )=2009k.  Ясно, что z >2009k,  иначе левая часть больше правой. Если v7(y)> k,  то    2009
v7(y  )> 2009k.  Таким образом, степень вхождения 7  в левую часть равна 2009k,  то есть меньше, чем степень вхождения 7  в правую часть, противоречие. То есть v7(y)=k.  Сократим равенство на  2009k
7    ,  получим уравнение  2009   2009   z1
x1  + y1  = 7 .

Итак, теперь x1  и y1  не делятся на 7,  а x1 +y1  — делится (доказывается так же, как мы это делали в начале). Тогда по LT E  имеем:

v7(x21009+ y12009) =v7(x21009 − (−y1)2009)= v7(x1+ y1)+ v7(2009)=v7(x1 +y1)+2

С другой стороны, она равна z1.  Отсюда получаем v7(x1+ y1)=z1− 2.  Учитывая, что x1+ y1  ни на что кроме 7  не делится,         z1−2
x1+ y1 = 7  .

Таким образом, x21009+y21009-
  x1+y1   = 49,  то есть  2009   2009
x1  + y1  = 49(x1+ y1).  Пусть, не умаляя общности, x1 ≥ y1,  тогда                  2009   2009   2009
49(x1 +y1)≤98x1 < x1 < x1  + y1  при x1 ≥ 2.  Значит, x =y =1,  но этот случай не подходит.

Ответ:

Нет решений

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 9#82095

Решите в натуральных числах уравнение 3x =2xy+ 1.

Показать ответ и решение

Преобразуем к виду 3x− 1 =2xy.  Пусть x  нечётен. Тогда 3x− 1  не делится на 4,  откуда x =1  и y = 1.  Теперь рассмотрим случай, когда x= 2k.  Заметим, что  x      k
3 − 1= 9 − 1.  Применим здесь LTE по модулю 2.

   k
v2(9 − 1)= v2(9 − 1)+ v2(k)

Сделаем грубую оценку: v2(k)< k,  откуда v2(9k− 1)< k+ 3.  Таким образом, решения имеются только тогда, когда 2k< k+ 3  — иначе двойка входит в левую часть в меньшей степени, чем в правую, и равенство недостижимо. Значит, k <3,  откуда x= 2  или x =4.  Простой подстановкой получаем, что в первом случае y = 2,  во втором случае y =5.

Ответ:

 (2;2),(4;5),(1;1)

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 10#82096

На доске написаны n  цифр в ряд. Докажите, что к ним можно приписать несколько цифр слева и не более n  цифр справа так, чтобы получилась степень двойки.

Показать доказательство

Рассмотрим остатки степеней двойки по модулю 102n = 22n ⋅52n.  Покажем,что двойка — первообразный корень по модулю 5s.  Заметим, что  k   ..s
2 − 1 .5 ,  только если  ..
k.4  (проверка остатков степеней 2  по модулю 5  ). Пусть k= 4a.  Теперь по LTE    4a         a
v5(2  − 1)=v5(16 − 1)= v5(16− 1)+ v5(a).  То есть v5(a)≥s − 1,  откуда    s−1
a≥ 5  и       s− 1       s
k≥ 4⋅5  (равно φ(5 )).  Таким образом, двойка — действительно первообразный корень по этому модулю. Следовательно, по модулю  2n
5  степени двойки дают    2n
φ(5 )  различных остатков — в точности те, что взаимно просты с 5  (так как степень двойки не кратна пяти). Значит, существуют степени двойки, сравнимые по модулю 2k
5  с 1,2,3,4,6....  То есть существуют степени двойки, сравнимые по модулю  2k
10  с    2n   2n   2n    2n    2n
1⋅2  ,2 ⋅2  ,3⋅2 ,4⋅2 ,6⋅2  ...  (домножаем все предыдущие степени и их остатки на  2n
2 ,  это можно сделать, поскольку  2n
2  и  2n
5  взаимно просты). Заметим теперь, что каждый следующий остаток отличается от предыдущего не более чем на    2n    n
2⋅2  <10 .  Значит, на каждом шаге (n+ 1)  -ая с конца цифра соответствующей степени двойки увеличивается не более, чем на 1,  а отсюда следует, что такими шагами мы получим на местах с n+ 1  по 2n  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

Задача 11#82097

Найдите все такие натуральные n,  что 2n+-1
 n2  целое.

Показать ответ и решение

Пусть p  — наименьший простой делитель числа n.  Тогда p ≥3  и 2n ≡ −1 (mod p).  Получаем, что 22n ≡ 1 (mod p).  Обозначим через T  показатель числа 2 по модулю p.  Тогда T |q− 1  и T |2n.  Значит, T < q  и потому либо T = 1,  либо T = 2  (иначе в T  найдется простой делитель n,  меньший p  ). При T =1  получаем, что 2≡ 1 (mod p)  — противоречие. Поэтому T = 2  и  2
2 ≡ 1 (mod p).  Значит, p =3.

Теперь применим LTE:

1+v3(n)=v3(2+1)+ v3(n)= v3(2n− (− 1)n)≥ v3(n2)= 2v3(n)

откуда следует, что v3(n)= 1.

Пусть n = 3m.  Если m = 1,  то n= 3  — ответ. В противном случае m > 3  — нечетно, и пусть q  — наименьший простой делитель    m.  Тогда q > 3.  Получаем:  3m
2   ≡− 1 (mod q)  и  6m
2  ≡ 1 (mod  ) q.  Пусть t  — порядок двойки по модулю q.  Тогда t|q− 1  и t|6m.  Ho t< q,  поэтому (t,m )= 1,  значит, t|6.  Если t =3,  то  3m
2   ≡1 (mod q)  — противоречие. При t= 1  получаем, что 2 ≡1 (mod q)  — противоречие. Если t= 2,  то  2
2 ≡ 1 (mod q)  и q = 3  — противоречие. Значит, t= 6.  Тогда  6
2 ≡ 1 (mod q)  и q = 7.

Получаем, что    n
7|2 + 1.  Однако, перебрав все остатки n  по модулю 6,  легко убедиться, что это невозможно. Таким образом, мы получаем противоречие.

Ответ:

 n =3

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 12#83177

На какую максимальную степень пятерки делится выражение 310000− 210000  ?

Показать ответ и решение

Первое решение.

   10000   10000     5000  5000
v5(3    − 2   )=v5(9   − 4  )= vp(9− 4)+vp(5000)= 5

Второе решение.

   10000  10000      10000     10000
v5(3    − 2   )= v5(3    − (−2)  )= vp(3− (−2))+ vp(10000)= 5

Замечание.

v5(310000 − 210000)=(по LTE)= v5(3 − 2)+ v5(10000)= 4  — неверное рассуждение

Ответ: 5

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 13#83178

При каких натуральных n  существуют натуральное a  и простое p  , для которых 3p+4p = an  ?

Показать ответ и решение

Поймем, что n =1  , очевидно, подходит. При p= 2  левая часть равна 32+ 42 = 52  , так что подходит и n =2  . Пусть теперь p  нечётно. Тогда  p   p  p      p
3 + 4 = 3 − (−4)  . По лемме об уточнении показателя для модуля 7,    p     p
v7(3 − (− 4))= v7(3− (− 4))+ v7(p)  . Значит, при p⁄= 7  выражение делится на 7  , но не на  2
7  , и n =1  . Если же p= 7  , то выражение делится на  2
7  , но не на 3
7  , а значит, n ≤2  . Таким образом, мы убедились, что решения существуют только при n= 1  или n =2  .

Ответ: 1 и 2

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 14#83179

Известно, что при всех натуральных n  число 4(an+ 1)  является точным кубом. Докажите, что a =1  .

Показать доказательство

Выберем какое-нибудь нечётное n  . Тогда 4(an+ 1)= 4(an− (− 1)n)  . Рассмотрим разность a− (−1)= a+1  . Предположим, что она делится на какое-нибудь простое p ⁄=2  . Тогда по LTE    n     n
vp(a − (−1))= vp(a +1)+ vp(n)  . Заметим теперь, что при n = p  или     2
n =p  эта сумма не делится на 3  , а значит, число не является кубом. Значит, предположение было ошибочным, и        k
a+ 1= 2  . Выберем n= 3t  . Предыдущее рассуждение можно применить к числу  3
a  вместо a  , и оно сработает, если  3     s
a + 1⁄= 2  . Осталось рассмотреть случай, когда        k 3      s
a+ 1= 2 ,a + 1= 2  . Заметим, что  3           2
a + 1= (a +1)(a − a+ 1)  . Значит, число  2
a − a+ 1  (очевидно, нечётное), должно быть степенью двойки, то есть равняться единице.

Ошибка.
Попробуйте повторить позже

Задача 15#83180

На доске написаны n  цифр в ряд. Докажите, что к ним можно приписать несколько цифр слева и не более n  цифр справа так, чтобы получилась степень двойки.

Показать доказательство

Рассмотрим остатки степеней двойки по модулю 102n = 22n⋅52n  .Покажем,что двойка — первообразный корень по модулю 5s  . Заметим, что  k
2 − 1  делится на  s
5  , только если k  делится на 4 (проверка остатков степеней 2 по модулю 5). Пусть k =4a  . Теперь по LTE    4a         a
v5(2  − 1)=v5(16 − 1)= v5(16− 1)+ v5(a)  . То есть v5(a)≥ s− 1  , откуда     s−1
a≥ 5  и       s−1       s
k ≥4⋅5   (равно φ(5))  .

Таким образом, двойка — действительно первообразный корень по этому модулю. Следовательно, по модулю  2n
5  степени двойки дают    2n
φ(5 )  различных остатков — в точности те, что взаимно просты с 5  (так как степень двойки не кратна пяти). Значит, существуют степени двойки, сравнимые по модулю  2k
5  с 1,2,3,4,6...  . То есть существуют степени двойки, сравнимые по модулю   2k
10  с

1 ⋅22n,2⋅22n,3⋅22n,4⋅22n,6⋅22n ...

(домножаем все предыдущие степени и их остатки на  2n
2  , это можно сделать, поскольку  2n
2  и  2n
5  взаимно просты).

Заметим теперь, что каждый следующий остаток отличается от предыдущего не более чем на    2n    n
2 ⋅2  < 10  . Значит, на каждом шаге (n+ 1)  -ая с конца цифра соответствующей степени двойки увеличивается не более, чем на 1, а отсюда следует, что такими шагами мы получим на местах с n+ 1  по 2n  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

Задача 16#83176

Лемма об уточнении показателя, ЛоУП, lifting the exponent lemma, LTE.

Пусть a  и b  — различные целые числа, k   — натуральное число, а p   — нечетное простое число, НЕ ДЕЛЯЩЕЕ a  и b  .

ЕСЛИ a−  b  делится на p  , то

   k   k
vp(a  − b )= vp(a− b)+ vp(k)
Показать доказательство

Будем вести индукцию по v (k)
 p  .

(a) Докажите базу для vp(k)=0  .

Решение. Заметим, что  k  k         k−1  k−2       k−1
a − b = (a− b)(a   +a   b+ ...+ b  )  . Поскольку
a ≡b( mod p)  , правая скобка по модулю p  сравнима с  k−1
ka  , что, очевидно, не кратно p  .

(b) Докажите, пожалуйста, базу и для vp(k) =1  . Это пригодится в дальнейшем.

Решение. Докажем для k =p  . Аналогично предыдущему пункту, заметим, что

ap− bp = (a − b)(ap−1+ ap−2b+ ...+ bp−1)

Поскольку a≡ b( mod p)  , правая скобка по модулю p  сравнима с   p−1
pa  , то есть делится на p  . Теперь остаётся доказать, что она не делится на  2
p  . Будем действовать так: заметим, что если a ≡b( mod p)  , то b= a+ np  . Подставим это выражение вместо b  в скобку, получим следующее выражение:  p−1   p−2                p−1
(a  + a   (a+ np)...+ (a+ np)  )  . Если записывать его как многочлен от p  , оно примет вид

pap−1+ ap−2⋅np⋅1+ ap−2⋅np⋅2+...ap−2⋅np⋅(p− 1)+ p2⋅...

раскрываем каждую скобочку по биному Ньютона и смотрим на свободные члены и члены первой степени - очевидно, остальные делятся на  2
p  , и влиять на наше утверждение не будут

   p−1   p−2  p(p−-1)
≡pa   + a  np   2

складываем все члены с p  и замечаем, что p  нечётно, а значит, эта сумма делится на  2
p

    p−1      2
≡ pa  (  mod p )

(c) Докажите индукционный переход.

Решение. Пусть k= pα⋅t  (t не кратно p)  . Тогда заметим, что

v (ak− bk)=v ((apα−1t)p− (bpα−1t)p)
 p         p

Т.к. основания степеней сравнимы по модулю p  , можно применить здесь доказанную в предыдущем пункте базу для p= k  . Получим

vp((apα−1t)p− (bpα−1t)p)= vp((apα−1t)− (bpα−1t))+ 1

Выполнив аналогичное действие α  раз, получим, что

vp(ak− bk) =α +vp(at− bt)

Но это, согласно первому пункту, равно

α+ vp(a− b)

Замечание. Заметим ещё, что вышеприведённое решение не работает при p= 2  , т.к. p(p−2-1)  в этом случае не кратен p  . Недостающую для этой делимости двойку можно получить из n  , если оно чётно, а это равносильно тому, что a− b  кратно 4  . Таким образом, если a− b  кратно 4  , то LTE для p= 2  выполняется.

Рулетка
Вы можете получить скидку в рулетке!