IMO 1999 · Problem 4
Determine all pairs \((n,p)\) of positive integers such that
\(p\) is a prime,
\(n\) not exceeded \(2p\), and
\((p-1)^n+1\) is divisible by \(n^{p-1}\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ for every prime }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
Solution
If \(n=1\), the divisibility condition holds for every prime \(p\).
If \(p=2\), the condition becomes \(n\mid 2\), so \(n=1\) or \(n=2\). Both satisfy \(n\le 2p\).
Henceforth assume that \(p\) is odd and \(n>1\). Since \((p-1)^n+1\) is odd, its divisor \(n^{p-1}\) is odd, so \(n\) is odd.
Let \(q\) be the smallest prime divisor of \(n\). We have \[ \gcd(n,q-1)=1, \] because any prime dividing both numbers would be a prime divisor of \(n\) smaller than \(q\).
The given divisibility implies \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] Since \(n\) is odd, putting \(a=1-p\) gives \[ a^n\equiv1\pmod q. \] In particular, \(q\nmid a\), so Fermat’s little theorem gives \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\). As \(\gcd(n,q-1)=1\), there are integers \(u\ge1\) and \(v\ge0\) such that \(nu=1+v(q-1)\). Therefore \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] Thus \(1-p\equiv1\pmod q\), so \(q\mid p\). Since \(p\) is prime, \(q=p\).
Consequently \(p\mid n\). The bound \(n\le2p\) leaves only \(n=p\) or \(n=2p\); the latter is even. Hence \(n=p\).
We now require \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1. \] For an odd prime \(p\), the binomial theorem gives \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] Indeed, the term with \(k=2\) is divisible by \(p^3\), since \(\binom p2=p(p-1)/2\), and every term with \(k\ge3\) contains a factor \(p^3\).
Thus \((p-1)^p+1\) is divisible by \(p^2\) but not by \(p^3\). The required divisibility forces \(p-1\le2\), and therefore \(p=3\). This gives \(n=3\).
Finally, the remaining candidates do satisfy all conditions: \(n=1\) always works, and \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] This proves the stated answer.
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 1999 · Aufgabe 4
Bestimme alle Paare \((n,p)\) positiver ganzer Zahlen, für die gilt:
\(p\) ist eine Primzahl,
\(n\) ist nicht größer als \(2p\), und
\((p-1)^n+1\) ist durch \(n^{p-1}\) teilbar.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ für jede Primzahl }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
Lösung
Ist \(n=1\), so ist die Teilbarkeitsbedingung für jede Primzahl \(p\) erfüllt.
Ist \(p=2\), so lautet die Bedingung \(n\mid 2\), also ist \(n=1\) oder \(n=2\). Beide erfüllen \(n\le 2p\).
Im Folgenden nehmen wir an, dass \(p\) ungerade und \(n>1\) ist. Da \((p-1)^n+1\) ungerade ist, ist auch sein Teiler \(n^{p-1}\) ungerade, also ist \(n\) ungerade.
Sei \(q\) der kleinste Primteiler von \(n\). Es gilt \[ \operatorname{ggT}(n,q-1)=1, \] denn jede Primzahl, die beide Zahlen teilt, wäre ein Primteiler von \(n\), der kleiner als \(q\) ist.
Aus der gegebenen Teilbarkeit folgt \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] Da \(n\) ungerade ist, erhalten wir mit \(a=1-p\) \[ a^n\equiv1\pmod q. \] Insbesondere gilt \(q\nmid a\), also liefert der kleine Satz von Fermat \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\). Wegen \(\operatorname{ggT}(n,q-1)=1\) gibt es ganze Zahlen \(u\ge1\) und \(v\ge0\) mit \(nu=1+v(q-1)\). Daher gilt \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] Somit gilt \(1-p\equiv1\pmod q\), also \(q\mid p\). Da \(p\) eine Primzahl ist, folgt \(q=p\).
Folglich gilt \(p\mid n\). Wegen der Schranke \(n\le2p\) kommen nur \(n=p\) oder \(n=2p\) infrage; Letzteres ist gerade. Also ist \(n=p\).
Nun muss \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1 \] gelten. Für eine ungerade Primzahl \(p\) liefert der binomische Lehrsatz \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] Tatsächlich ist der Summand mit \(k=2\) durch \(p^3\) teilbar, da \(\binom p2=p(p-1)/2\), und jeder Summand mit \(k\ge3\) enthält einen Faktor \(p^3\).
Somit ist \((p-1)^p+1\) durch \(p^2\), aber nicht durch \(p^3\) teilbar. Die geforderte Teilbarkeit erzwingt \(p-1\le2\), also \(p=3\). Dies ergibt \(n=3\).
Schließlich erfüllen die verbleibenden Kandidaten tatsächlich alle Bedingungen: \(n=1\) ist stets eine Lösung, und \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] Damit ist die angegebene Antwort bewiesen.
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 1999 · Soru 4
Aşağıdaki koşulları sağlayan tüm pozitif tam sayı çiftlerini \((n,p)\) belirleyiniz:
\(p\) bir asal sayıdır,
\(n\), \(2p\) sayısını aşmaz ve
\((p-1)^n+1\) sayısı \(n^{p-1}\) ile tam bölünür.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ her asal }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
Çözüm
\(n=1\) ise bölünebilme koşulu her \(p\) asal sayısı için sağlanır.
\(p=2\) ise koşul \(n\mid 2\) hâline gelir; dolayısıyla \(n=1\) veya \(n=2\) olur. Her ikisi de \(n\le 2p\) koşulunu sağlar.
Bundan sonra \(p\) sayısının tek ve \(n>1\) olduğunu varsayalım. \((p-1)^n+1\) tek olduğundan, böleni \(n^{p-1}\) de tektir; dolayısıyla \(n\) tektir.
\(n\) sayısının en küçük asal böleni \(q\) olsun. \[ \operatorname{ebob}(n,q-1)=1, \] çünkü her iki sayıyı da bölen herhangi bir asal, \(n\) sayısının \(q\) sayısından küçük bir asal böleni olurdu.
Verilen bölünebilme koşulundan \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q \] elde edilir. \(n\) tek olduğundan, \(a=1-p\) koyarak \[ a^n\equiv1\pmod q \] elde ederiz. Özellikle \(q\nmid a\) olduğundan, Fermat'nın küçük teoremine göre \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\) olur. \(\operatorname{ebob}(n,q-1)=1\) olduğundan, \(nu=1+v(q-1)\) eşitliğini sağlayan \(u\ge1\) ve \(v\ge0\) tam sayıları vardır. Dolayısıyla \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] Böylece \(1-p\equiv1\pmod q\), dolayısıyla \(q\mid p\) olur. \(p\) asal olduğundan \(q=p\) elde edilir.
Sonuç olarak \(p\mid n\) olur. \(n\le2p\) sınırı yalnızca \(n=p\) veya \(n=2p\) olasılıklarını bırakır; bunlardan ikincisi çifttir. Bu nedenle \(n=p\) olur.
Şimdi \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1 \] olması gerekir. Tek bir \(p\) asal sayısı için binom teoremi \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3} \] sonucunu verir. Gerçekten de \(\binom p2=p(p-1)/2\) olduğundan \(k=2\) olan terim \(p^3\) ile tam bölünür ve \(k\ge3\) olan her terim bir \(p^3\) çarpanı içerir.
Böylece \((p-1)^p+1\), \(p^2\) ile tam bölünür, ancak \(p^3\) ile tam bölünmez. İstenen bölünebilme koşulu \(p-1\le2\) olmasını gerektirir ve dolayısıyla \(p=3\) olur. Buradan \(n=3\) elde edilir.
Son olarak, kalan adaylar tüm koşulları gerçekten sağlar: \(n=1\) her zaman koşulları sağlar ve \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] Böylece belirtilen cevap kanıtlanmış olur.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 1999 · Problema 4
Determinar todos los pares \((n,p)\) de enteros positivos tales que
\(p\) es primo,
\(n\) no excede de \(2p\), y
\((p-1)^n+1\) es divisible por \(n^{p-1}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ para todo primo }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
Solución
Si \(n=1\), la condición de divisibilidad se cumple para todo primo \(p\).
Si \(p=2\), la condición se convierte en \(n\mid 2\), por lo que \(n=1\) o \(n=2\). Ambos valores satisfacen \(n\le 2p\).
En lo sucesivo, supongamos que \(p\) es impar y \(n>1\). Como \((p-1)^n+1\) es impar, su divisor \(n^{p-1}\) es impar, por lo que \(n\) es impar.
Sea \(q\) el menor divisor primo de \(n\). Tenemos \[ \operatorname{mcd}(n,q-1)=1, \] porque cualquier primo que dividiera ambos números sería un divisor primo de \(n\) menor que \(q\).
La divisibilidad dada implica \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] Como \(n\) es impar, al poner \(a=1-p\) se obtiene \[ a^n\equiv1\pmod q. \] En particular, \(q\nmid a\), por lo que el pequeño teorema de Fermat da \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\). Como \(\operatorname{mcd}(n,q-1)=1\), existen enteros \(u\ge1\) y \(v\ge0\) tales que \(nu=1+v(q-1)\). Por tanto, \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] Así pues, \(1-p\equiv1\pmod q\), de modo que \(q\mid p\). Como \(p\) es primo, \(q=p\).
Por consiguiente, \(p\mid n\). La cota \(n\le2p\) solo deja las posibilidades \(n=p\) o \(n=2p\); la segunda es par. Por tanto, \(n=p\).
Ahora necesitamos que \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1. \] Para un primo impar \(p\), el teorema del binomio da \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] En efecto, el término con \(k=2\) es divisible por \(p^3\), ya que \(\binom p2=p(p-1)/2\), y todo término con \(k\ge3\) contiene un factor \(p^3\).
Así pues, \((p-1)^p+1\) es divisible por \(p^2\), pero no por \(p^3\). La divisibilidad requerida obliga a que \(p-1\le2\), y por tanto \(p=3\). Esto da \(n=3\).
Finalmente, los candidatos restantes sí satisfacen todas las condiciones: \(n=1\) siempre sirve, y \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] Esto demuestra la respuesta indicada.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 1999 · 问题 4
求所有满足下列条件的正整数对 \((n,p)\):
\(p\) 是素数,
\(n\) 不超过 \(2p\),且
\((p-1)^n+1\) 能被 \(n^{p-1}\) 整除。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ 对于每个素数 }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
解答
若 \(n=1\),则对每个素数 \(p\),整除条件都成立。
若 \(p=2\),则条件化为 \(n\mid 2\),所以 \(n=1\) 或 \(n=2\)。两者都满足 \(n\le 2p\)。
以下假设 \(p\) 为奇数且 \(n>1\)。由于 \((p-1)^n+1\) 为奇数,其约数 \(n^{p-1}\) 也为奇数,所以 \(n\) 为奇数。
设 \(q\) 是 \(n\) 的最小素因子。我们有 \[ \gcd(n,q-1)=1, \] 因为任何同时整除这两个数的素数都是 \(n\) 的小于 \(q\) 的素因子。
由题设的整除条件可得 \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] 由于 \(n\) 为奇数,令 \(a=1-p\),得到 \[ a^n\equiv1\pmod q. \] 特别地,\(q\nmid a\),所以由费马小定理可得 \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\)。由于 \(\gcd(n,q-1)=1\),存在整数 \(u\ge1\) 和 \(v\ge0\),使得 \(nu=1+v(q-1)\)。因此 \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] 于是 \(1-p\equiv1\pmod q\),所以 \(q\mid p\)。由于 \(p\) 为素数,故 \(q=p\)。
因此 \(p\mid n\)。由界限 \(n\le2p\),只可能有 \(n=p\) 或 \(n=2p\);后者为偶数。因此 \(n=p\)。
现在需要满足 \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1. \] 对于奇素数 \(p\),由二项式定理可得 \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] 事实上,由于 \(\binom p2=p(p-1)/2\),\(k=2\) 时的项能被 \(p^3\) 整除,而每个 \(k\ge3\) 时的项都含有因子 \(p^3\)。
因此,\((p-1)^p+1\) 能被 \(p^2\) 整除,但不能被 \(p^3\) 整除。所要求的整除条件迫使 \(p-1\le2\),所以 \(p=3\)。这给出 \(n=3\)。
最后,剩下的候选值确实满足所有条件:\(n=1\) 总是满足条件,并且 \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] 这就证明了所给出的答案。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 1999 · Задача 4
Найдите все пары \((n,p)\) положительных целых чисел, для которых
\(p\) — простое число,
\(n\) не превосходит \(2p\) и
\((p-1)^n+1\) делится на \(n^{p-1}\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ для любого простого }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
Решение
Если \(n=1\), условие делимости выполняется для любого простого \(p\).
Если \(p=2\), условие принимает вид \(n\mid 2\), поэтому \(n=1\) или \(n=2\). Оба значения удовлетворяют неравенству \(n\le 2p\).
Далее будем считать, что \(p\) нечётно и \(n>1\). Поскольку \((p-1)^n+1\) нечётно, его делитель \(n^{p-1}\) нечётен, поэтому \(n\) нечётно.
Пусть \(q\) — наименьший простой делитель \(n\). Имеем \[ \operatorname{НОД}(n,q-1)=1, \] поскольку любой простой общий делитель этих двух чисел был бы простым делителем \(n\), меньшим \(q\).
Из условия делимости следует \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] Поскольку \(n\) нечётно, положив \(a=1-p\), получаем \[ a^n\equiv1\pmod q. \] В частности, \(q\nmid a\), поэтому по малой теореме Ферма \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\). Так как \(\operatorname{НОД}(n,q-1)=1\), существуют целые числа \(u\ge1\) и \(v\ge0\), для которых \(nu=1+v(q-1)\). Следовательно, \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] Таким образом, \(1-p\equiv1\pmod q\), откуда \(q\mid p\). Поскольку \(p\) простое, \(q=p\).
Следовательно, \(p\mid n\). Неравенство \(n\le2p\) оставляет лишь возможности \(n=p\) и \(n=2p\); во втором случае число чётно. Поэтому \(n=p\).
Теперь требуется, чтобы \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1. \] Для нечётного простого \(p\) по биному Ньютона получаем \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] Действительно, слагаемое при \(k=2\) делится на \(p^3\), поскольку \(\binom p2=p(p-1)/2\), а каждое слагаемое при \(k\ge3\) содержит множитель \(p^3\).
Таким образом, \((p-1)^p+1\) делится на \(p^2\), но не на \(p^3\). Требуемая делимость влечёт \(p-1\le2\), а значит, \(p=3\). Это даёт \(n=3\).
Наконец, оставшиеся кандидаты действительно удовлетворяют всем условиям: \(n=1\) всегда подходит, а \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] Тем самым указанный ответ доказан.
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 1999 · المسألة 4
أوجد جميع أزواج الأعداد الصحيحة الموجبة \((n,p)\) التي تحقق ما يأتي:
\(p\) عدد أولي،
\(n\) لا يتجاوز \(2p\)، و
\((p-1)^n+1\) يقبل القسمة على \(n^{p-1}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
\[ \boxed{(n,p)=(1,p)\text{ لكل عدد أولي }p,\quad (2,2),\quad (3,3).} \]
الحل
إذا كان \(n=1\)، فإن شرط القابلية للقسمة يتحقق لكل عدد أولي \(p\).
إذا كان \(p=2\)، يصبح الشرط \(n\mid 2\)، ومن ثم \(n=1\) أو \(n=2\). وكلتاهما تحقق \(n\le 2p\).
نفترض من الآن فصاعدًا أن \(p\) فردي وأن \(n>1\). بما أن \((p-1)^n+1\) فردي، فإن قاسمه \(n^{p-1}\) فردي، ومن ثم \(n\) فردي.
ليكن \(q\) أصغر قاسم أولي للعدد \(n\). لدينا \[ \gcd(n,q-1)=1, \] لأن أي عدد أولي يقسم العددين معًا سيكون قاسمًا أوليًّا للعدد \(n\) أصغر من \(q\).
تستلزم القابلية للقسمة المعطاة أن \[ (p-1)^n\equiv-1\pmod q. \] بما أن \(n\) فردي، فإن وضع \(a=1-p\) يعطي \[ a^n\equiv1\pmod q. \] وعلى وجه الخصوص، \(q\nmid a\)، ولذلك تعطي مبرهنة فيرما الصغرى \(a^{q-1}\equiv1\pmod q\). وبما أن \(\gcd(n,q-1)=1\)، يوجد عددان صحيحان \(u\ge1\) و\(v\ge0\) بحيث \(nu=1+v(q-1)\). وبالتالي \[ 1\equiv(a^n)^u =a^{1+v(q-1)} \equiv a\pmod q. \] إذن \(1-p\equiv1\pmod q\)، ومن ثم \(q\mid p\). ولأن \(p\) أولي، فإن \(q=p\).
وبالتالي \(p\mid n\). لا يترك القيد \(n\le2p\) إلا الاحتمالين \(n=p\) أو \(n=2p\)؛ والثاني زوجي. إذن \(n=p\).
نحتاج الآن إلى \[ p^{p-1}\mid(p-1)^p+1. \] من أجل عدد أولي فردي \(p\)، تعطي مبرهنة ذات الحدين \[ (p-1)^p+1 =p^2+\sum_{k=2}^{p}\binom pk p^k(-1)^{p-k} \equiv p^2\pmod{p^3}. \] بالفعل، الحد الموافق لـ\(k=2\) يقبل القسمة على \(p^3\)، لأن \(\binom p2=p(p-1)/2\)، وكل حد يحقق \(k\ge3\) يحتوي على عامل \(p^3\).
إذن \((p-1)^p+1\) يقبل القسمة على \(p^2\) ولا يقبل القسمة على \(p^3\). وتقتضي القابلية للقسمة المطلوبة أن \(p-1\le2\)، ومن ثم \(p=3\). وهذا يعطي \(n=3\).
أخيرًا، تحقق الأزواج المرشحة المتبقية جميع الشروط فعلًا: تصلح \(n=1\) دائمًا، كما أن \[ (2-1)^2+1=2=2^{2-1},\qquad (3-1)^3+1=9=3^{3-1}. \] وهذا يثبت الإجابة المذكورة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.