IMO 1971 · Problem 3
Prove that the set of integers of the form \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) contains an infinite subset in which every two members are relatively prime.
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We construct strictly increasing exponents \(k_1,k_2,\ldots\) such that the numbers \(2^{k_i}-3\) are pairwise relatively prime.
Start with \(k_1=3\), giving \(2^{k_1}-3=5\). Suppose that \(k_1<\cdots<k_r\) have already been chosen with the required property, and put \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] Every factor is odd, so \(M\) is odd.
Among the \(M+1\) integers \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] two have the same remainder modulo \(M\). Thus, for some \(0\le u<v\le M\), \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] Since \(M\) is odd, \(2^u\) is relatively prime to \(M\), so cancellation gives \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
Now set \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] Then \(k_{r+1}>k_r\), and \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] Consequently, \(2^{k_{r+1}}-3\) is relatively prime to \(M\), and hence to each previously chosen number \(2^{k_i}-3\).
The construction therefore continues indefinitely. Because the exponents strictly increase, the resulting numbers are distinct, so \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] is the required infinite subset.
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1971 · Aufgabe 3
Beweise, dass die Menge der ganzen Zahlen der Form \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) eine unendliche Teilmenge enthält, deren Elemente paarweise teilerfremd sind.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir konstruieren streng wachsende Exponenten \(k_1,k_2,\ldots\), sodass die Zahlen \(2^{k_i}-3\) paarweise teilerfremd sind.
Wir beginnen mit \(k_1=3\), was \(2^{k_1}-3=5\) ergibt. Angenommen, \(k_1<\cdots<k_r\) sind bereits mit der geforderten Eigenschaft gewählt worden, und wir setzen \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] Jeder Faktor ist ungerade, also ist \(M\) ungerade.
Unter den \(M+1\) ganzen Zahlen \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] haben zwei denselben Rest modulo \(M\). Daher gilt für gewisse \(0\le u<v\le M\) \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] Da \(M\) ungerade ist, ist \(2^u\) teilerfremd zu \(M\), also ergibt Kürzen \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
Nun setzen wir \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] Dann ist \(k_{r+1}>k_r\), und es gilt \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] Folglich ist \(2^{k_{r+1}}-3\) teilerfremd zu \(M\) und damit zu jeder zuvor gewählten Zahl \(2^{k_i}-3\).
Die Konstruktion lässt sich somit unbegrenzt fortsetzen. Da die Exponenten streng wachsen, sind die entstehenden Zahlen verschieden, sodass \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] die gesuchte unendliche Teilmenge ist.
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1971 · Soru 3
\(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) biçimindeki tam sayıların kümesinin, herhangi iki elemanı aralarında asal olan sonsuz bir alt küme içerdiğini kanıtlayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(2^{k_i}-3\) sayıları ikişer ikişer aralarında asal olacak şekilde, kesin artan \(k_1,k_2,\ldots\) üslerini oluşturacağız.
\(k_1=3\) ile başlayalım; bu durumda \(2^{k_1}-3=5\) olur. \(k_1<\cdots<k_r\) üslerinin istenen özelliği sağlayacak şekilde seçilmiş olduğunu varsayalım ve \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3) \] olsun. Her çarpan tek olduğundan \(M\) tektir.
\(M+1\) tane \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] tam sayısı arasında, \(M\) ile bölümünden aynı kalanı veren iki sayı vardır. Dolayısıyla bazı \(0\le u<v\le M\) için \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] \(M\) tek olduğundan \(2^u\) ile \(M\) aralarında asaldır; bu nedenle sadeleştirme yaparak \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1 \] elde ederiz.
Şimdi \[ k_{r+1}=2+k_r d \] olarak tanımlayalım. O hâlde \(k_{r+1}>k_r\) ve \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] Bu nedenle \(2^{k_{r+1}}-3\) ile \(M\) aralarında asaldır; dolayısıyla bu sayı, daha önce seçilen her \(2^{k_i}-3\) sayısıyla da aralarında asaldır.
Böylece bu işlem sınırsız olarak sürdürülebilir. Üsler kesin olarak arttığından elde edilen sayılar birbirinden farklıdır; dolayısıyla \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] istenen sonsuz alt kümedir.
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1971 · Problema 3
Demuestre que el conjunto de los enteros de la forma \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) contiene un subconjunto infinito cuyos elementos son primos entre sí dos a dos.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Construimos exponentes estrictamente crecientes \(k_1,k_2,\ldots\) tales que los números \(2^{k_i}-3\) sean primos entre sí dos a dos.
Comencemos con \(k_1=3\), que da \(2^{k_1}-3=5\). Supongamos que ya se han elegido \(k_1<\cdots<k_r\) con la propiedad requerida, y pongamos \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] Cada factor es impar, por lo que \(M\) es impar.
Entre los \(M+1\) enteros \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] dos tienen el mismo resto módulo \(M\). Así pues, para ciertos \(0\le u<v\le M\), \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] Como \(M\) es impar, \(2^u\) es primo con \(M\), de modo que, al cancelar, se obtiene \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
Definamos ahora \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] Entonces \(k_{r+1}>k_r\), y \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] En consecuencia, \(2^{k_{r+1}}-3\) es primo con \(M\) y, por tanto, con cada número \(2^{k_i}-3\) elegido anteriormente.
La construcción puede, por lo tanto, continuar indefinidamente. Como los exponentes son estrictamente crecientes, los números resultantes son distintos, de modo que \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] es el subconjunto infinito requerido.
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1971 · 问题 3
证明:形如 \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) 的整数所组成的集合含有一个无限子集,其中任意两个元素互素。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
我们构造严格递增的指数序列 \(k_1,k_2,\ldots\),使得各数 \(2^{k_i}-3\) 两两互素。
先取 \(k_1=3\),此时 \(2^{k_1}-3=5\)。假设已经选出满足要求的 \(k_1<\cdots<k_r\),并令 \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] 每个因子都是奇数,因此 \(M\) 是奇数。
在这 \(M+1\) 个整数 \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M \] 中,有两个除以 \(M\) 的余数相同。因此,存在 \(0\le u<v\le M\),使得 \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] 由于 \(M\) 是奇数,\(2^u\) 与 \(M\) 互素,故约去公因子可得 \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
现令 \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] 则 \(k_{r+1}>k_r\),且 \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] 因此,\(2^{k_{r+1}}-3\) 与 \(M\) 互素,从而与先前选出的每个数 \(2^{k_i}-3\) 都互素。
所以,这一构造可以无限进行下去。由于指数严格递增,所得各数互不相同,故 \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] 就是所求的无限子集。
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1971 · Задача 3
Докажите, что множество целых чисел вида \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) содержит бесконечное подмножество, любые два элемента которого взаимно просты.
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Построим строго возрастающую последовательность показателей \(k_1,k_2,\ldots\), для которой числа \(2^{k_i}-3\) попарно взаимно просты.
Начнём с \(k_1=3\), тогда \(2^{k_1}-3=5\). Предположим, что \(k_1<\cdots<k_r\) с требуемым свойством уже выбраны, и положим \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] Каждый множитель нечётен, поэтому \(M\) нечётно.
Среди \(M+1\) целых чисел \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] найдутся два с одинаковыми остатками по модулю \(M\). Таким образом, для некоторых \(0\le u<v\le M\) \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] Поскольку \(M\) нечётно, число \(2^u\) взаимно просто с \(M\), поэтому после сокращения получаем \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
Теперь положим \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] Тогда \(k_{r+1}>k_r\) и \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] Следовательно, \(2^{k_{r+1}}-3\) взаимно просто с \(M\), а значит, и с каждым ранее выбранным числом \(2^{k_i}-3\).
Таким образом, построение можно продолжать неограниченно. Поскольку показатели строго возрастают, полученные числа различны, поэтому \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] является искомым бесконечным подмножеством.
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1971 · المسألة 3
أثبت أن مجموعة الأعداد الصحيحة التي على الصورة \(2^k-3\) \((k=2,3,\ldots)\) تحتوي على مجموعة جزئية غير منتهية كل عنصرين مختلفين فيها أوليان فيما بينهما.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ننشئ أسسًا متزايدة تمامًا \(k_1,k_2,\ldots\) بحيث تكون الأعداد \(2^{k_i}-3\) أولية فيما بينها مثنى مثنى.
نبدأ بـ \(k_1=3\)، فنحصل على \(2^{k_1}-3=5\). لنفترض أننا اخترنا بالفعل \(k_1<\cdots<k_r\) بالخاصية المطلوبة، ولنضع \[ M=\prod_{i=1}^{r}(2^{k_i}-3). \] كل عامل فردي، لذا فإن \(M\) فردي.
من بين الأعداد الصحيحة الـ \(M+1\) \[ 2^0,2^1,\ldots,2^M, \] يوجد عددان لهما باقي القسمة نفسه على \(M\). ومن ثم، توجد قيمتان \(0\le u<v\le M\) بحيث \[ 2^u\equiv2^v\pmod M. \] بما أن \(M\) فردي، فإن \(2^u\) أولي مع \(M\)، لذا يعطينا الاختزال \[ 2^d\equiv1\pmod M,\qquad d=v-u\ge1. \]
نضع الآن \[ k_{r+1}=2+k_r d. \] عندئذ \(k_{r+1}>k_r\)، و \[ 2^{k_{r+1}}-3 =4(2^d)^{k_r}-3 \equiv4-3=1\pmod M. \] ومن ثم فإن \(2^{k_{r+1}}-3\) أولي مع \(M\)، وبالتالي مع كل عدد سبق اختياره \(2^{k_i}-3\).
إذن يستمر الإنشاء إلى ما لا نهاية. ولأن الأسس متزايدة تمامًا، فإن الأعداد الناتجة متمايزة، ومن ثم تكون \[ \{2^{k_i}-3:i=1,2,\ldots\} \] هي المجموعة الجزئية غير المنتهية المطلوبة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).