IMO 1977 · Problem 3
Let \(n\) be a given integer \(>2\), and let \(V_n\) be the set of integers \(1+kn\), where \(k=1,2,\ldots\). A number \(m\in V_n\) is called indecomposable in \(V_n\) if there do not exist numbers \(p,q\in V_n\) such that \(pq=m\). Prove that there exists a number \(r\in V_n\) that can be expressed as the product of elements indecomposable in \(V_n\) in more than one way. (Products which differ only in the order of their factors will be considered the same.)
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
We first prove that there are infinitely many primes which are coprime to \(n\) and are not congruent to \(1\) modulo \(n\).
Suppose instead that all such primes form a finite list \(p_1,\ldots,p_s\). Put \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] taking \(P=1\) if the list is empty. Since \(n>2\), we have \(N>1\). Every prime divisor of \(N\) is coprime to \(n\), and none is among \(p_1,\ldots,p_s\), because \(N\equiv-1\pmod{p_i}\). Consequently, every prime divisor of \(N\) is congruent to \(1\) modulo \(n\). Multiplying these prime factors, with their multiplicities, gives \[ N\equiv1\pmod n. \] But \(N\equiv-1\pmod n\), which is impossible for \(n>2\). This proves the assertion.
There are only finitely many residue classes modulo \(n\). Thus we can choose distinct primes \(p,q\), both coprime to \(n\), such that \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n. \] Let \(h\) be the least positive integer for which \(a^h\equiv1\pmod n\). Such an integer exists: two powers of \(a\) have the same residue modulo \(n\), and cancellation is possible because \(\gcd(a,n)=1\). Moreover, \(h\ge2\).
We claim that each of the numbers \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] is indecomposable in \(V_n\). First, \(m_i>1\) and \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] so \(m_i\in V_n\). Any divisor \(d\) of \(m_i\) with \(1<d<m_i\) has the form \(p^u q^v\), where \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] Hence \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] by the minimality of \(h\). Thus no proper divisor of \(m_i\) greater than \(1\) belongs to \(V_n\), proving the claim.
Now take \(r=p^h q^h\). It belongs to \(V_n\) and has the two factorizations \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] All four displayed factors are among the \(m_i\), so they are indecomposable in \(V_n\). Since \(h\ge2\), both factors in the second factorization are divisible by both \(p\) and \(q\), whereas each factor in the first is a power of just one of these distinct primes. Therefore the factorizations are different even when order is disregarded. This also covers \(h=2\), when the second factorization has two equal factors. \(\square\)
The solution was checked against John Scholes' IMO solution archive (Kalva).
IMO 1977 · Aufgabe 3
Sei \(n\) eine gegebene ganze Zahl \(>2\), und sei \(V_n\) die Menge der ganzen Zahlen \(1+kn\), wobei \(k=1,2,\ldots\). Eine Zahl \(m\in V_n\) heißt unzerlegbar in \(V_n\), wenn es keine Zahlen \(p,q\in V_n\) mit \(pq=m\) gibt. Beweise, dass es eine Zahl \(r\in V_n\) gibt, die sich auf mehr als eine Weise als Produkt von in \(V_n\) unzerlegbaren Elementen darstellen lässt. (Produkte, die sich nur in der Reihenfolge ihrer Faktoren unterscheiden, werden als gleich betrachtet.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Wir beweisen zunächst, dass es unendlich viele Primzahlen gibt, die zu \(n\) teilerfremd und nicht kongruent zu \(1\) modulo \(n\) sind.
Angenommen, alle diese Primzahlen bilden stattdessen eine endliche Liste \(p_1,\ldots,p_s\). Setze \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] wobei wir \(P=1\) setzen, falls die Liste leer ist. Wegen \(n>2\) gilt \(N>1\). Jeder Primteiler von \(N\) ist zu \(n\) teilerfremd, und keiner gehört zu \(p_1,\ldots,p_s\), da \(N\equiv-1\pmod{p_i}\) gilt. Folglich ist jeder Primteiler von \(N\) kongruent zu \(1\) modulo \(n\). Multipliziert man diese Primfaktoren unter Berücksichtigung ihrer Vielfachheiten, so erhält man \[ N\equiv1\pmod n. \] Es gilt jedoch \(N\equiv-1\pmod n\), was für \(n>2\) unmöglich ist. Damit ist die Behauptung bewiesen.
Es gibt nur endlich viele Restklassen modulo \(n\). Daher können wir verschiedene Primzahlen \(p,q\) wählen, die beide zu \(n\) teilerfremd sind und für die \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n \] gilt. Sei \(h\) die kleinste positive ganze Zahl, für die \(a^h\equiv1\pmod n\) gilt. Eine solche Zahl existiert: Zwei Potenzen von \(a\) haben denselben Rest modulo \(n\), und wegen \(\operatorname{ggT}(a,n)=1\) darf gekürzt werden. Außerdem gilt \(h\ge2\).
Wir behaupten, dass jede der Zahlen \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] in \(V_n\) unzerlegbar ist. Zunächst gilt \(m_i>1\) und \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] also ist \(m_i\in V_n\). Jeder Teiler \(d\) von \(m_i\) mit \(1<d<m_i\) hat die Form \(p^u q^v\), wobei \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] Daher gilt \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] wegen der Minimalität von \(h\). Somit gehört kein echter Teiler von \(m_i\), der größer als \(1\) ist, zu \(V_n\), womit die Behauptung bewiesen ist.
Wähle nun \(r=p^h q^h\). Diese Zahl gehört zu \(V_n\) und hat die beiden Zerlegungen \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] Alle vier dargestellten Faktoren gehören zu den \(m_i\), sind also in \(V_n\) unzerlegbar. Wegen \(h\ge2\) sind beide Faktoren der zweiten Zerlegung sowohl durch \(p\) als auch durch \(q\) teilbar, während jeder Faktor der ersten Zerlegung eine Potenz nur einer dieser verschiedenen Primzahlen ist. Daher sind die Zerlegungen auch dann verschieden, wenn die Reihenfolge außer Acht gelassen wird. Dies umfasst auch \(h=2\), wenn die zweite Zerlegung zwei gleiche Faktoren hat. \(\square\)
Die Lösung wurde mit dem IMO-Lösungsarchiv von John Scholes (Kalva) abgeglichen.
IMO 1977 · Soru 3
\(n\), \(>2\) olan verilmiş bir tam sayı olsun ve \(V_n\), \(k=1,2,\ldots\) olmak üzere \(1+kn\) biçimindeki tam sayıların kümesi olsun. \(pq=m\) olacak şekilde \(p,q\in V_n\) sayıları yoksa, \(m\in V_n\) sayısına \(V_n\) içinde ayrıştırılamaz denir. \(V_n\) içinde ayrıştırılamaz elemanların çarpımı olarak birden fazla biçimde yazılabilen bir \(r\in V_n\) sayısının var olduğunu kanıtlayınız. (Yalnızca çarpanlarının sırası bakımından farklı olan çarpımlar aynı kabul edilecektir.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
Önce, \(n\) ile aralarında asal olan ve \(n\) modülünde \(1\)'e denk olmayan sonsuz sayıda asal sayı bulunduğunu kanıtlayalım.
Aksine, bu tür asal sayıların tamamının sonlu bir \(p_1,\ldots,p_s\) listesi oluşturduğunu varsayalım. Liste boşsa \(P=1\) alarak \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] olarak tanımlayalım. \(n>2\) olduğundan \(N>1\) olur. \(N\)'nin her asal böleni \(n\) ile aralarında asaldır ve \(N\equiv-1\pmod{p_i}\) olduğundan bunların hiçbiri \(p_1,\ldots,p_s\) arasında değildir. Dolayısıyla \(N\)'nin her asal böleni \(n\) modülünde \(1\)'e denktir. Bu asal çarpanları katlılıklarını da dikkate alarak çarptığımızda \[ N\equiv1\pmod n \] elde edilir. Ancak \(N\equiv-1\pmod n\) olduğundan, \(n>2\) için bu mümkün değildir. Böylece iddia kanıtlanır.
\(n\) modülünde yalnızca sonlu sayıda kalan sınıfı vardır. Dolayısıyla, her ikisi de \(n\) ile aralarında asal olan ve \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n \] koşulunu sağlayan farklı \(p,q\) asal sayılarını seçebiliriz. \(a^h\equiv1\pmod n\) eşitliğini sağlayan en küçük pozitif tam sayı \(h\) olsun. Böyle bir tam sayı vardır: \(a\)'nın iki kuvvetinin \(n\) modülündeki kalanları aynıdır ve \(\operatorname{ebob}(a,n)=1\) olduğundan sadeleştirme yapılabilir. Ayrıca \(h\ge2\)'dir.
\[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] sayılarının her birinin \(V_n\) içinde ayrıştırılamaz olduğunu iddia ediyoruz. Öncelikle \(m_i>1\) ve \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] olduğundan \(m_i\in V_n\)'dir. \(m_i\)'nin \(1<d<m_i\) koşulunu sağlayan her \(d\) böleni, \(p^u q^v\) biçimindedir; burada \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h \] olur. Dolayısıyla, \(h\)'nin en küçük olmasından \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] elde edilir. Böylece \(m_i\)'nin \(1\)'den büyük ve kendisinden küçük hiçbir böleni \(V_n\)'ye ait değildir; bu da iddiayı kanıtlar.
Şimdi \(r=p^h q^h\) alalım. Bu sayı \(V_n\)'ye aittir ve \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}) \] şeklinde iki çarpanlara ayrılışı vardır. Gösterilen dört çarpanın tümü \(m_i\) sayıları arasında olduğundan, \(V_n\) içinde ayrıştırılamazdır. \(h\ge2\) olduğundan, ikinci ayrılıştaki her iki çarpan da hem \(p\)'ye hem de \(q\)'ya bölünürken, ilk ayrılıştaki her çarpan bu farklı asal sayılardan yalnızca birinin kuvvetidir. Bu nedenle, çarpanların sırası göz ardı edildiğinde bile bu çarpanlara ayrılışlar farklıdır. Bu, ikinci ayrılışın iki eşit çarpandan oluştuğu \(h=2\) durumunu da kapsar. \(\square\)
Çözüm, John Scholes'un IMO çözüm arşiviyle (Kalva) karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1977 · Problema 3
Sea \(n\) un entero dado \(>2\), y sea \(V_n\) el conjunto de los enteros \(1+kn\), donde \(k=1,2,\ldots\). Un número \(m\in V_n\) se llama indescomponible en \(V_n\) si no existen números \(p,q\in V_n\) tales que \(pq=m\). Demostrar que existe un número \(r\in V_n\) que puede expresarse como producto de elementos indescomponibles en \(V_n\) de más de una manera. (Los productos que solo difieran en el orden de sus factores se considerarán iguales.)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Primero demostraremos que hay infinitos primos que son coprimos con \(n\) y no son congruentes con \(1\) módulo \(n\).
Supongamos, por el contrario, que todos esos primos forman una lista finita \(p_1,\ldots,p_s\). Pongamos \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] tomando \(P=1\) si la lista está vacía. Como \(n>2\), tenemos \(N>1\). Todo divisor primo de \(N\) es coprimo con \(n\), y ninguno está entre \(p_1,\ldots,p_s\), pues \(N\equiv-1\pmod{p_i}\). En consecuencia, todo divisor primo de \(N\) es congruente con \(1\) módulo \(n\). Al multiplicar estos factores primos, con sus multiplicidades, obtenemos \[ N\equiv1\pmod n. \] Pero \(N\equiv-1\pmod n\), lo cual es imposible para \(n>2\). Esto demuestra la afirmación.
Solo hay un número finito de clases de residuos módulo \(n\). Por tanto, podemos elegir primos distintos \(p,q\), ambos coprimos con \(n\), tales que \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n. \] Sea \(h\) el menor entero positivo para el que \(a^h\equiv1\pmod n\). Tal entero existe: dos potencias de \(a\) tienen el mismo residuo módulo \(n\), y se puede cancelar porque \(\operatorname{mcd}(a,n)=1\). Además, \(h\ge2\).
Afirmamos que cada uno de los números \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] es indescomponible en \(V_n\). En primer lugar, \(m_i>1\) y \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] por lo que \(m_i\in V_n\). Todo divisor \(d\) de \(m_i\) con \(1<d<m_i\) tiene la forma \(p^u q^v\), donde \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] Por tanto, \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] por la minimalidad de \(h\). Así pues, ningún divisor propio de \(m_i\) mayor que \(1\) pertenece a \(V_n\), lo que demuestra la afirmación.
Tomemos ahora \(r=p^h q^h\). Pertenece a \(V_n\) y tiene las dos factorizaciones \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] Los cuatro factores mostrados están entre los \(m_i\), por lo que son indescomponibles en \(V_n\). Como \(h\ge2\), ambos factores de la segunda factorización son divisibles tanto por \(p\) como por \(q\), mientras que cada factor de la primera es una potencia de uno solo de estos primos distintos. Por tanto, las factorizaciones son diferentes incluso si no se tiene en cuenta el orden. Esto también cubre el caso \(h=2\), en el que la segunda factorización tiene dos factores iguales. \(\square\)
La solución se comprobó con el archivo de soluciones de la IMO de John Scholes (Kalva).
IMO 1977 · 问题 3
设 \(n\) 是给定的整数且 \(>2\),\(V_n\) 是所有形如 \(1+kn\) 的整数构成的集合,其中 \(k=1,2,\ldots\)。若不存在 \(p,q\in V_n\) 使得 \(pq=m\),则称数 \(m\in V_n\) 在 \(V_n\) 中不可分解。证明:存在一个数 \(r\in V_n\),它可以用不止一种方式表示为 \(V_n\) 中不可分解的元素的乘积。(仅因子次序不同的乘积视为同一种表示。)
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
首先证明:与 \(n\) 互素且模 \(n\) 不同余于 \(1\) 的素数有无穷多个。
反设所有这样的素数只有有限个,记为 \(p_1,\ldots,p_s\)。令 \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] 若不存在这样的素数,则取 \(P=1\)。由于 \(n>2\),有 \(N>1\)。\(N\) 的每个素因子都与 \(n\) 互素,并且都不在 \(p_1,\ldots,p_s\) 之中,因为 \(N\equiv-1\pmod{p_i}\)。因此,\(N\) 的每个素因子模 \(n\) 都同余于 \(1\)。将这些素因子按其重数相乘,得到 \[ N\equiv1\pmod n. \] 但 \(N\equiv-1\pmod n\),这在 \(n>2\) 时不可能成立。断言得证。
模 \(n\) 的剩余类只有有限个。因此,可以选取两个不同的素数 \(p,q\),它们都与 \(n\) 互素,且满足 \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n. \] 设 \(h\) 是使 \(a^h\equiv1\pmod n\) 成立的最小正整数。这样的整数存在:\(a\) 的某两个幂模 \(n\) 的余数相同,且由于 \(\gcd(a,n)=1\),可以约去公因子。此外,\(h\ge2\)。
我们断言,下列各数 \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] 在 \(V_n\) 中均不可分解。首先,\(m_i>1\),并且 \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] 所以 \(m_i\in V_n\)。\(m_i\) 的任意满足 \(1<d<m_i\) 的因子 \(d\) 都形如 \(p^u q^v\),其中 \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] 因此,由 \(h\) 的最小性可知 \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] 成立。所以,\(m_i\) 的任何大于 \(1\) 的真因子都不属于 \(V_n\),断言得证。
现在取 \(r=p^h q^h\)。它属于 \(V_n\),且有以下两种分解: \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] 式中列出的四个因子都属于上述 \(m_i\),因此在 \(V_n\) 中均不可分解。由于 \(h\ge2\),第二种分解中的两个因子都同时被 \(p\) 和 \(q\) 整除,而第一种分解中的每个因子都只是这两个不同素数中的一个的幂。因此,即使不考虑因子的次序,这两种分解仍然不同。这也包括 \(h=2\) 的情形,此时第二种分解中的两个因子相等。\(\square\)
解答已与 John Scholes 的 IMO 解答档案(Kalva)核对。
IMO 1977 · Задача 3
Пусть \(n\) — заданное целое число \(>2\), а \(V_n\) — множество целых чисел \(1+kn\), где \(k=1,2,\ldots\). Число \(m\in V_n\) называется неразложимым в \(V_n\), если не существует чисел \(p,q\in V_n\), для которых \(pq=m\). Докажите, что существует число \(r\in V_n\), которое можно представить в виде произведения элементов, неразложимых в \(V_n\), более чем одним способом. (Произведения, отличающиеся только порядком множителей, считаются одинаковыми.)
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Сначала докажем, что существует бесконечно много простых чисел, взаимно простых с \(n\) и не сравнимых с \(1\) по модулю \(n\).
Предположим, напротив, что все такие простые числа образуют конечный список \(p_1,\ldots,p_s\). Положим \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] принимая \(P=1\), если список пуст. Поскольку \(n>2\), имеем \(N>1\). Каждый простой делитель числа \(N\) взаимно прост с \(n\), и ни один из них не входит в список \(p_1,\ldots,p_s\), поскольку \(N\equiv-1\pmod{p_i}\). Следовательно, каждый простой делитель числа \(N\) сравним с \(1\) по модулю \(n\). Перемножая эти простые множители с учётом их кратностей, получаем \[ N\equiv1\pmod n. \] Но \(N\equiv-1\pmod n\), что невозможно при \(n>2\). Утверждение доказано.
Классов вычетов по модулю \(n\) лишь конечное число. Поэтому можно выбрать различные простые числа \(p,q\), оба взаимно простые с \(n\), такие, что \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n. \] Пусть \(h\) — наименьшее положительное целое число, для которого \(a^h\equiv1\pmod n\). Такое число существует: две степени числа \(a\) имеют одинаковые остатки по модулю \(n\), а сокращение возможно, поскольку \(\operatorname{НОД}(a,n)=1\). Кроме того, \(h\ge2\).
Утверждается, что каждое из чисел \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] неразложимо в \(V_n\). Во-первых, \(m_i>1\) и \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] поэтому \(m_i\in V_n\). Любой делитель \(d\) числа \(m_i\), для которого \(1<d<m_i\), имеет вид \(p^u q^v\), где \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] Следовательно, \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] в силу минимальности \(h\). Таким образом, ни один собственный делитель числа \(m_i\), больший \(1\), не принадлежит \(V_n\), что доказывает утверждение.
Теперь возьмём \(r=p^h q^h\). Это число принадлежит \(V_n\) и имеет два разложения: \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] Все четыре выписанных множителя входят в число \(m_i\), поэтому они неразложимы в \(V_n\). Поскольку \(h\ge2\), оба множителя во втором разложении делятся и на \(p\), и на \(q\), тогда как каждый множитель в первом разложении является степенью лишь одного из этих различных простых чисел. Поэтому разложения различны даже без учёта порядка множителей. Это рассуждение охватывает и случай \(h=2\), когда второе разложение содержит два одинаковых множителя. \(\square\)
Решение проверено по архиву решений IMO Джона Скоулза (Kalva).
IMO 1977 · المسألة 3
ليكن \(n\) عددًا صحيحًا معطًى \(>2\)، ولتكن \(V_n\) مجموعة الأعداد الصحيحة \(1+kn\)، حيث \(k=1,2,\ldots\). يُسمّى العدد \(m\in V_n\) غير قابل للتحليل في \(V_n\) إذا لم يوجد عددان \(p,q\in V_n\) بحيث \(pq=m\). أثبت وجود عدد \(r\in V_n\) يمكن التعبير عنه بوصفه حاصل ضرب عناصر غير قابلة للتحليل في \(V_n\) بأكثر من طريقة واحدة. (تُعدّ حواصل الضرب التي لا تختلف إلا في ترتيب عواملها واحدة.)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
نثبت أولًا وجود عدد لا نهائي من الأعداد الأولية التي هي أولية نسبيًّا مع \(n\) ولا توافق \(1\) بترديد \(n\).
افترض، على العكس، أن جميع هذه الأعداد الأولية تشكل قائمة منتهية \(p_1,\ldots,p_s\). نضع \[ P=p_1\cdots p_s,\qquad N=nP-1, \] مع أخذ \(P=1\) إذا كانت القائمة خالية. بما أن \(n>2\)، فإن \(N>1\). كل قاسم أولي للعدد \(N\) أولي نسبيًّا مع \(n\)، وليس أيٌّ منها ضمن \(p_1,\ldots,p_s\)، لأن \(N\equiv-1\pmod{p_i}\). وبناءً عليه، فإن كل قاسم أولي للعدد \(N\) يوافق \(1\) بترديد \(n\). وبضرب هذه العوامل الأولية مع مراعاة تعددها، نحصل على \[ N\equiv1\pmod n. \] لكن \(N\equiv-1\pmod n\)، وهذا مستحيل عندما \(n>2\). وبذلك تثبت الدعوى.
عدد أصناف البواقي بترديد \(n\) منتهٍ. لذا يمكننا اختيار عددين أوليين متمايزين \(p,q\)، كلاهما أولي نسبيًّا مع \(n\)، بحيث \[ p\equiv q\equiv a\pmod n,\qquad a\not\equiv1\pmod n. \] ليكن \(h\) أصغر عدد صحيح موجب يحقق \(a^h\equiv1\pmod n\). يوجد مثل هذا العدد: إذ توجد قوتان للعدد \(a\) لهما الباقي نفسه بترديد \(n\)، ويمكن الاختزال لأن \(\gcd(a,n)=1\). علاوة على ذلك، \(h\ge2\).
ندّعي أن كل عدد من الأعداد \[ m_i=p^i q^{h-i}\qquad(0\le i\le h) \] غير قابل للتحليل في \(V_n\). أولًا، لدينا \(m_i>1\) و \[ m_i\equiv a^h\equiv1\pmod n, \] ومن ثم \(m_i\in V_n\). كل قاسم \(d\) للعدد \(m_i\) يحقق \(1<d<m_i\) يكون على الصورة \(p^u q^v\)، حيث \[ 0\le u\le i,\qquad 0\le v\le h-i,\qquad 1\le u+v<h. \] وعليه \[ d\equiv a^{u+v}\not\equiv1\pmod n \] لأن \(h\) هو الأصغر. إذن لا ينتمي إلى \(V_n\) أي قاسم فعلي للعدد \(m_i\) أكبر من \(1\)، وهو ما يثبت الدعوى.
نأخذ الآن \(r=p^h q^h\). ينتمي هذا العدد إلى \(V_n\)، وله التحليلان \[ r=(p^h)(q^h) =(p^{h-1}q)(pq^{h-1}). \] جميع العوامل الأربعة المعروضة من بين الأعداد \(m_i\)، لذا فهي غير قابلة للتحليل في \(V_n\). وبما أن \(h\ge2\)، فإن كلا العاملين في التحليل الثاني يقبل القسمة على كل من \(p\) و\(q\)، في حين أن كل عامل في التحليل الأول قوة لواحد فقط من هذين العددين الأوليين المتمايزين. لذلك فالتحليلان مختلفان حتى عند إهمال الترتيب. ويشمل هذا أيضًا الحالة \(h=2\)، التي يكون فيها للتحليل الثاني عاملان متساويان. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بأرشيف حلول IMO لجون سكولز (Kalva).