IMO 2000 · Problem 5
Can we find \(N\) divisible by just 2000 different primes, so that \(N\) divides \(2^N+1\)? [\(N\) may be divisible by a prime power.]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
Yes. In fact, such an \(N\) exists with any prescribed positive number of distinct prime divisors.
Solution
We prove by induction that for every integer \(k\ge1\), there is an odd positive integer \(n\), divisible by \(3\), with exactly \(k\) distinct prime divisors and satisfying \[ n\mid 2^n+1. \] For \(k=1\), take \(n=3\).
Suppose such an \(n\) has been constructed. Put \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] Since \(n\) is odd, \(x\equiv-1\pmod3\). Writing \(x=3t-1\), we obtain \[ A=3(3t^2-3t+1). \] Thus \(3\mid A\) but \(9\nmid A\). Also \(n\ge3\), so \(x\ge8\) and \(A>3\). Consequently, \(A/3>1\) has a prime divisor \(q\ne3\). Since \(A\) is odd, \(q\) is odd.
We claim that \(q\nmid n\). Otherwise, \(n\mid x+1\) would imply \(x\equiv-1\pmod q\), giving \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] contrary to \(q\ne3\).
Now set \[ m=3nq. \] Because \(n\mid x+1\) and \(3\mid A\), \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] Furthermore, \(q\mid A\) and \(\gcd(q,3n)=1\), so \[ m\mid2^{3n}+1. \] As \(q\) is odd, this yields \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] Hence \(m\mid2^m+1\). Moreover, \(m\) is odd and has exactly \(k+1\) distinct prime divisors: \(3\) already divides \(n\), while \(q\) does not.
This completes the induction. Taking \(k=2000\) gives the required \(N\).
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2000 · Aufgabe 5
Gibt es eine Zahl \(N\), die durch genau 2000 verschiedene Primzahlen teilbar ist, sodass \(N\) die Zahl \(2^N+1\) teilt? [\(N\) darf durch eine Primzahlpotenz teilbar sein.]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Ja. Tatsächlich existiert ein solches \(N\) mit jeder vorgegebenen positiven Anzahl verschiedener Primteiler.
Lösung
Wir beweisen durch vollständige Induktion, dass es für jede ganze Zahl \(k\ge1\) eine ungerade positive ganze Zahl \(n\) gibt, die durch \(3\) teilbar ist, genau \(k\) verschiedene Primteiler hat und \[ n\mid 2^n+1 \] erfüllt. Für \(k=1\) wählen wir \(n=3\).
Angenommen, ein solches \(n\) wurde bereits konstruiert. Wir setzen \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] Da \(n\) ungerade ist, gilt \(x\equiv-1\pmod3\). Schreiben wir \(x=3t-1\), so erhalten wir \[ A=3(3t^2-3t+1). \] Somit gilt \(3\mid A\), aber \(9\nmid A\). Außerdem ist \(n\ge3\), also \(x\ge8\) und \(A>3\). Folglich hat \(A/3>1\) einen Primteiler \(q\ne3\). Da \(A\) ungerade ist, ist auch \(q\) ungerade.
Wir behaupten, dass \(q\nmid n\). Andernfalls würde aus \(n\mid x+1\) folgen, dass \(x\equiv-1\pmod q\), und damit \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] im Widerspruch zu \(q\ne3\).
Nun setzen wir \[ m=3nq. \] Wegen \(n\mid x+1\) und \(3\mid A\) gilt \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] Ferner gilt \(q\mid A\) und \(\operatorname{ggT}(q,3n)=1\), also \[ m\mid2^{3n}+1. \] Da \(q\) ungerade ist, folgt daraus \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] Somit gilt \(m\mid2^m+1\). Außerdem ist \(m\) ungerade und hat genau \(k+1\) verschiedene Primteiler: \(3\) teilt bereits \(n\), während \(q\) dies nicht tut.
Damit ist die Induktion abgeschlossen. Für \(k=2000\) erhalten wir das gesuchte \(N\).
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2000 · Soru 5
Tam olarak 2000 farklı asal sayıya bölünen ve \(2^N+1\)'i bölen bir \(N\) bulabilir miyiz? [\(N\), bir asal sayının kuvvetine bölünebilir.]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Evet. Hatta farklı asal bölenlerinin sayısı, önceden belirlenen herhangi bir pozitif sayı olan böyle bir \(N\) vardır.
Çözüm
Her \(k\ge1\) tam sayısı için, \(3\)'e bölünen, tam olarak \(k\) farklı asal böleni olan ve \[ n\mid 2^n+1 \] koşulunu sağlayan bir pozitif tek \(n\) tam sayısının var olduğunu tümevarımla kanıtlayacağız. \(k=1\) için \(n=3\) alalım.
Böyle bir \(n\)'nin elde edildiğini varsayalım. \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1 \] olsun. \(n\) tek olduğundan, \(x\equiv-1\pmod3\)'tür. \(x=3t-1\) yazarak \[ A=3(3t^2-3t+1) \] elde ederiz. Böylece \(3\mid A\), ancak \(9\nmid A\) olur. Ayrıca \(n\ge3\) olduğundan, \(x\ge8\) ve \(A>3\)'tür. Sonuç olarak, \(A/3>1\) sayısının \(q\ne3\) olan bir asal böleni vardır. \(A\) tek olduğundan \(q\) da tektir.
\(q\nmid n\) olduğunu iddia ediyoruz. Aksi hâlde \(n\mid x+1\) koşulu \(x\equiv-1\pmod q\) olmasını gerektirir ve buradan \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] elde edilir; bu ise \(q\ne3\) ile çelişir.
Şimdi \[ m=3nq \] alalım. \(n\mid x+1\) ve \(3\mid A\) olduğundan, \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] Ayrıca \(q\mid A\) ve \(\operatorname{ebob}(q,3n)=1\) olduğundan, \[ m\mid2^{3n}+1. \] \(q\) tek olduğundan, buradan \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m \] elde edilir. Dolayısıyla \(m\mid2^m+1\)'dir. Üstelik \(m\) tektir ve tam olarak \(k+1\) farklı asal böleni vardır: \(3\), zaten \(n\)'yi bölerken \(q\) bölmez.
Böylece tümevarım tamamlanır. \(k=2000\) alınarak istenen \(N\) elde edilir.
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2000 · Problema 5
¿Podemos encontrar un \(N\) divisible por exactamente 2000 primos distintos, de modo que \(N\) divida a \(2^N+1\)? [\(N\) puede ser divisible por una potencia de un primo.]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Sí. De hecho, existe un \(N\) de este tipo con cualquier número positivo prefijado de divisores primos distintos.
Solución
Demostramos por inducción que, para todo entero \(k\ge1\), existe un entero positivo impar \(n\), divisible por \(3\), con exactamente \(k\) divisores primos distintos y que satisface \[ n\mid 2^n+1. \] Para \(k=1\), tomamos \(n=3\).
Supongamos que se ha construido un \(n\) de este tipo. Pongamos \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] Como \(n\) es impar, \(x\equiv-1\pmod3\). Escribiendo \(x=3t-1\), obtenemos \[ A=3(3t^2-3t+1). \] Por tanto, \(3\mid A\), pero \(9\nmid A\). Además, \(n\ge3\), por lo que \(x\ge8\) y \(A>3\). En consecuencia, \(A/3>1\) tiene un divisor primo \(q\ne3\). Como \(A\) es impar, \(q\) es impar.
Afirmamos que \(q\nmid n\). De lo contrario, \(n\mid x+1\) implicaría \(x\equiv-1\pmod q\), de donde \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] en contradicción con \(q\ne3\).
Definamos ahora \[ m=3nq. \] Como \(n\mid x+1\) y \(3\mid A\), \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] Además, \(q\mid A\) y \(\operatorname{mcd}(q,3n)=1\), por lo que \[ m\mid2^{3n}+1. \] Como \(q\) es impar, esto da \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] Por tanto, \(m\mid2^m+1\). Además, \(m\) es impar y tiene exactamente \(k+1\) divisores primos distintos: \(3\) ya divide a \(n\), mientras que \(q\) no.
Esto completa la inducción. Tomando \(k=2000\), obtenemos el \(N\) requerido.
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2000 · 问题 5
能否找到一个恰有 2000 个不同素因子的 \(N\),使得 \(N\) 整除 \(2^N+1\)?[\(N\) 可以被某个素数的幂整除。]
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
答案
能。事实上,对于任意给定的正整数,都存在这样的 \(N\),使其不同素因子的个数恰好为该正整数。
解答
我们用归纳法证明:对每个整数 \(k\ge1\),都存在一个能被 \(3\) 整除的奇正整数 \(n\),它恰有 \(k\) 个不同的素因子,并满足 \[ n\mid 2^n+1. \] 当 \(k=1\) 时,取 \(n=3\)。
假设已经构造出这样的 \(n\)。令 \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] 由于 \(n\) 为奇数,\(x\equiv-1\pmod3\)。写成 \(x=3t-1\),可得 \[ A=3(3t^2-3t+1). \] 因此 \(3\mid A\),但 \(9\nmid A\)。又因为 \(n\ge3\),所以 \(x\ge8\),且 \(A>3\)。于是,\(A/3>1\) 有一个素因子 \(q\ne3\)。由于 \(A\) 为奇数,\(q\) 也为奇数。
我们断言 \(q\nmid n\)。否则,由 \(n\mid x+1\) 可得 \(x\equiv-1\pmod q\),从而 \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] 这与 \(q\ne3\) 矛盾。
现在令 \[ m=3nq. \] 由于 \(n\mid x+1\) 且 \(3\mid A\), \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] 此外,\(q\mid A\),且 \(\gcd(q,3n)=1\),因此 \[ m\mid2^{3n}+1. \] 由于 \(q\) 为奇数,由此可得 \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] 故 \(m\mid2^m+1\)。而且,\(m\) 为奇数,并且恰有 \(k+1\) 个不同的素因子:\(3\) 已经整除 \(n\),而 \(q\) 不整除 \(n\)。
归纳证明完成。取 \(k=2000\),便得到所要求的 \(N\)。
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2000 · Задача 5
Можно ли найти число \(N\), имеющее ровно 2000 различных простых делителей, такое, что \(N\) делит \(2^N+1\)? [\(N\) может делиться на степень простого числа.]
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Да. Более того, такое \(N\) существует для любого заданного положительного числа различных простых делителей.
Решение
Докажем по индукции, что для каждого целого \(k\ge1\) существует нечётное положительное целое число \(n\), делящееся на \(3\), имеющее ровно \(k\) различных простых делителей и удовлетворяющее условию \[ n\mid 2^n+1. \] При \(k=1\) возьмём \(n=3\).
Пусть такое \(n\) уже построено. Положим \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] Поскольку \(n\) нечётно, \(x\equiv-1\pmod3\). Записав \(x=3t-1\), получаем \[ A=3(3t^2-3t+1). \] Следовательно, \(3\mid A\), но \(9\nmid A\). Кроме того, \(n\ge3\), поэтому \(x\ge8\) и \(A>3\). Значит, у числа \(A/3>1\) есть простой делитель \(q\ne3\). Поскольку \(A\) нечётно, \(q\) нечётно.
Утверждаем, что \(q\nmid n\). В противном случае из \(n\mid x+1\) следовало бы \(x\equiv-1\pmod q\), откуда \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] что противоречит \(q\ne3\).
Теперь положим \[ m=3nq. \] Поскольку \(n\mid x+1\) и \(3\mid A\), \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] Далее, \(q\mid A\) и \(\operatorname{НОД}(q,3n)=1\), поэтому \[ m\mid2^{3n}+1. \] Так как \(q\) нечётно, отсюда получаем \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] Следовательно, \(m\mid2^m+1\). Кроме того, \(m\) нечётно и имеет ровно \(k+1\) различных простых делителей: \(3\) уже делит \(n\), а \(q\) не делит.
Индукция завершена. Взяв \(k=2000\), получаем требуемое \(N\).
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2000 · المسألة 5
هل يمكن إيجاد عدد \(N\) يقبل القسمة على 2000 عدد أولي مختلف بالضبط، بحيث يقسم \(N\) العدد \(2^N+1\)؟ [يجوز أن يقبل \(N\) القسمة على قوة لعدد أولي.]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
نعم. بل يوجد مثل هذا العدد \(N\) لأي عدد موجب محدد سلفًا من القواسم الأولية المختلفة.
الحل
نثبت بالاستقراء أنه لكل عدد صحيح \(k\ge1\)، يوجد عدد صحيح موجب فردي \(n\)، يقبل القسمة على \(3\)، وله بالضبط \(k\) قواسم أولية مختلفة، ويحقق \[ n\mid 2^n+1. \] عندما \(k=1\)، نأخذ \(n=3\).
لنفترض أننا بنينا عددًا \(n\) بهذه الصفات. نضع \[ x=2^n,\qquad A=x^2-x+1. \] بما أن \(n\) فردي، فإن \(x\equiv-1\pmod3\). وبكتابة \(x=3t-1\)، نحصل على \[ A=3(3t^2-3t+1). \] إذن \(3\mid A\) ولكن \(9\nmid A\). كذلك \(n\ge3\)، ومن ثم \(x\ge8\) و\(A>3\). وبالتالي فإن \(A/3>1\) له قاسم أولي \(q\ne3\). وبما أن \(A\) فردي، فإن \(q\) فردي.
ندّعي أن \(q\nmid n\). وإلا فإن \(n\mid x+1\) تستلزم \(x\equiv-1\pmod q\)، مما يعطي \[ 0\equiv A=x^2-x+1\equiv3\pmod q, \] وهذا يناقض \(q\ne3\).
نضع الآن \[ m=3nq. \] بما أن \(n\mid x+1\) و\(3\mid A\)، فإن \[ 3n\mid(x+1)A=x^3+1=2^{3n}+1. \] وفضلًا عن ذلك، \(q\mid A\) و\(\gcd(q,3n)=1\)، ولذلك \[ m\mid2^{3n}+1. \] وبما أن \(q\) فردي، ينتج عن ذلك \[ 2^m=(2^{3n})^q\equiv(-1)^q=-1\pmod m. \] ومن ثم \(m\mid2^m+1\). وعلاوة على ذلك، فإن \(m\) فردي وله بالضبط \(k+1\) قواسم أولية مختلفة: فالعدد \(3\) يقسم \(n\) أصلًا، بينما \(q\) لا يقسمه.
وهذا يتمّ الاستقراء. وبأخذ \(k=2000\) نحصل على \(N\) المطلوب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.