IMO 2003 · Problem 6
Show that for each prime \(p\), there exists a prime \(q\) such that \(n^p-p\) is not divisible by \(q\) for any positive integer \(n\).
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Solution
Let \(p\) be any prime, and put \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] Since \(p\ge 2\), we have \(N>1\) and \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Consequently, \(N\) has a prime divisor \(q\) such that \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Indeed, if every prime divisor of \(N\) were congruent to \(1\) modulo \(p^2\), their product, counted with multiplicity, would also be congruent to \(1\).
We claim that this \(q\) works. From \[ (p-1)N=p^p-1 \] we obtain \(p^p\equiv 1\pmod q\). Moreover, \(p\not\equiv 1\pmod q\): otherwise the \(p\) summands defining \(N\) would give \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] contrary to \(q\mid N\).
Suppose now that some positive integer \(n\) satisfies \(n^p\equiv p\pmod q\). Then \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] Thus the multiplicative order \(d\) of \(n\) modulo \(q\) divides \(p^2\) but does not divide \(p\). Since \(p\) is prime, this forces \(d=p^2\).
On the other hand, Fermat’s little theorem gives \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\), so \(d\mid q-1\). Here the order divides any exponent giving residue \(1\), as follows immediately by dividing that exponent by \(d\) and using the minimality of \(d\). Therefore \[ p^2\mid q-1, \] contradicting our choice of \(q\).
Hence \(q\nmid n^p-p\) for every positive integer \(n\), as required. \(\square\)
The solution was checked against Evan Chen's published IMO solution notes.
IMO 2003 · Aufgabe 6
Zeige, dass es zu jeder Primzahl \(p\) eine Primzahl \(q\) gibt, sodass \(n^p-p\) für keine positive ganze Zahl \(n\) durch \(q\) teilbar ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Lösung
Sei \(p\) eine beliebige Primzahl, und wir setzen \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] Wegen \(p\ge 2\) gilt \(N>1\) und \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Folglich hat \(N\) einen Primteiler \(q\) mit \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Wäre nämlich jeder Primteiler von \(N\) kongruent zu \(1\) modulo \(p^2\), so wäre auch ihr Produkt, unter Berücksichtigung der Vielfachheiten, kongruent zu \(1\).
Wir behaupten, dass dieses \(q\) die geforderte Eigenschaft hat. Aus \[ (p-1)N=p^p-1 \] erhalten wir \(p^p\equiv 1\pmod q\). Außerdem gilt \(p\not\equiv 1\pmod q\): Andernfalls würden die \(p\) Summanden in der Definition von \(N\) ergeben, dass \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] im Widerspruch zu \(q\mid N\).
Angenommen nun, eine positive ganze Zahl \(n\) erfülle \(n^p\equiv p\pmod q\). Dann gilt \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] Somit teilt die multiplikative Ordnung \(d\) von \(n\) modulo \(q\) die Zahl \(p^2\), aber nicht \(p\). Da \(p\) eine Primzahl ist, folgt daraus zwingend \(d=p^2\).
Andererseits gilt nach dem kleinen Satz von Fermat \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\), also \(d\mid q-1\). Dabei teilt die Ordnung jeden Exponenten, der den Rest \(1\) ergibt; dies folgt unmittelbar, indem man diesen Exponenten mit Rest durch \(d\) dividiert und die Minimalität von \(d\) verwendet. Daher gilt \[ p^2\mid q-1, \] im Widerspruch zur Wahl von \(q\).
Somit gilt \(q\nmid n^p-p\) für jede positive ganze Zahl \(n\), wie gefordert. \(\square\)
Die Lösung wurde mit den veröffentlichten IMO-Lösungsnotizen von Evan Chen abgeglichen.
IMO 2003 · Soru 6
Her \(p\) asal sayısı için, hiçbir pozitif \(n\) tam sayısında \(n^p-p\) sayısını bölmeyen bir \(q\) asal sayısının var olduğunu gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Çözüm
\(p\) herhangi bir asal sayı olsun ve \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1} \] olarak tanımlayalım. \(p\ge 2\) olduğundan \(N>1\) ve \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2} \] olur. Dolayısıyla, \(N\)'nin \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2} \] koşulunu sağlayan bir \(q\) asal böleni vardır. Gerçekten, \(N\)'nin her asal böleni \(p^2\) modülünde \(1\)'e denk olsaydı, bu bölenlerin katlılıkları dikkate alınarak alınan çarpımı da \(1\)'e denk olurdu.
Bu \(q\)'nun istenen koşulu sağladığını iddia ediyoruz. \[ (p-1)N=p^p-1 \] eşitliğinden \(p^p\equiv 1\pmod q\) elde ederiz. Ayrıca, \(p\not\equiv 1\pmod q\) olur: aksi hâlde \(N\)'yi tanımlayan \(p\) terimden \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q \] elde edilirdi; bu ise \(q\mid N\) ile çelişir.
Şimdi bir pozitif \(n\) tam sayısının \(n^p\equiv p\pmod q\) koşulunu sağladığını varsayalım. O zaman \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] Böylece, \(n\)'nin \(q\) modülündeki çarpımsal mertebesi \(d\), \(p^2\)'yi böler, ancak \(p\)'yi bölmez. \(p\) asal olduğundan, buradan \(d=p^2\) olması gerektiği çıkar.
Öte yandan, Fermat'nın küçük teoremi \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\) verdiğinden \(d\mid q-1\) olur. Burada mertebenin, kalanı \(1\) yapan her üssü böldüğü, bu üssün \(d\)'ye bölünmesi ve \(d\)'nin en küçük olmasının kullanılmasıyla hemen görülür. Dolayısıyla, \[ p^2\mid q-1 \] olur; bu ise \(q\)'nun seçimiyle çelişir.
O hâlde, istenildiği gibi, her pozitif \(n\) tam sayısı için \(q\nmid n^p-p\) olur. \(\square\)
Çözüm, Evan Chen'in yayımlanmış IMO çözüm notlarıyla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2003 · Problema 6
Demostrar que, para cada primo \(p\), existe un primo \(q\) tal que \(n^p-p\) no es divisible por \(q\) para ningún entero positivo \(n\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés. Enunciado oficial (PDF)
Solución
Sea \(p\) un primo cualquiera, y pongamos \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] Como \(p\ge 2\), tenemos \(N>1\) y \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Por consiguiente, \(N\) tiene un divisor primo \(q\) tal que \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] En efecto, si todos los divisores primos de \(N\) fueran congruentes con \(1\) módulo \(p^2\), su producto, contados con multiplicidad, también sería congruente con \(1\).
Afirmamos que este \(q\) cumple lo requerido. De \[ (p-1)N=p^p-1 \] obtenemos \(p^p\equiv 1\pmod q\). Además, \(p\not\equiv 1\pmod q\): de lo contrario, los \(p\) sumandos que definen \(N\) darían \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] lo que contradice \(q\mid N\).
Supongamos ahora que algún entero positivo \(n\) satisface \(n^p\equiv p\pmod q\). Entonces \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] Así, el orden multiplicativo \(d\) de \(n\) módulo \(q\) divide a \(p^2\), pero no divide a \(p\). Como \(p\) es primo, esto obliga a que \(d=p^2\).
Por otra parte, el pequeño teorema de Fermat da \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\), por lo que \(d\mid q-1\). Aquí, el orden divide a cualquier exponente que dé resto \(1\), como se deduce inmediatamente al dividir ese exponente entre \(d\) y utilizar la minimalidad de \(d\). Por tanto, \[ p^2\mid q-1, \] lo que contradice nuestra elección de \(q\).
Por tanto, \(q\nmid n^p-p\) para todo entero positivo \(n\), como se quería demostrar. \(\square\)
La solución se comprobó con las notas de soluciones de la IMO publicadas por Evan Chen.
IMO 2003 · 问题 6
证明:对每个素数 \(p\),都存在一个素数 \(q\),使得对任意正整数 \(n\),\(n^p-p\) 都不能被 \(q\) 整除。
题目译自官方英文原文。 官方试卷 (PDF)
解答
设 \(p\) 为任意素数,令 \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] 由于 \(p\ge 2\),有 \(N>1\),且 \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] 因此,\(N\) 有一个素因子 \(q\),满足 \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] 事实上,如果 \(N\) 的每个素因子模 \(p^2\) 都同余于 \(1\),那么将这些素因子按重数计入后所得的乘积也同余于 \(1\)。
我们断言,这个 \(q\) 满足要求。由 \[ (p-1)N=p^p-1 \] 可得 \(p^p\equiv 1\pmod q\)。此外,\(p\not\equiv 1\pmod q\):否则,由定义 \(N\) 的 \(p\) 个加数可得 \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] 这与 \(q\mid N\) 矛盾。
现在假设某个正整数 \(n\) 满足 \(n^p\equiv p\pmod q\)。则 \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] 因此,\(n\) 模 \(q\) 的乘法阶 \(d\) 整除 \(p^2\),但不整除 \(p\)。由于 \(p\) 为素数,必有 \(d=p^2\)。
另一方面,由费马小定理,\(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\),所以 \(d\mid q-1\)。这里,阶整除任何使幂的余数为 \(1\) 的指数,这只需将该指数除以 \(d\) 并利用 \(d\) 的最小性便可立即得到。因此, \[ p^2\mid q-1, \] 这与 \(q\) 的选取矛盾。
故对每个正整数 \(n\),都有 \(q\nmid n^p-p\),即得所证。\(\square\)
解答已与 Evan Chen 发布的 IMO 解答笔记核对。
IMO 2003 · Задача 6
Докажите, что для каждого простого числа \(p\) существует простое число \(q\) такое, что \(n^p-p\) не делится на \(q\) ни при каком положительном целом \(n\).
Условие переведено с официального английского текста. Официальный текст задач (PDF)
Решение
Пусть \(p\) — произвольное простое число, и положим \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] Поскольку \(p\ge 2\), имеем \(N>1\) и \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Следовательно, у \(N\) есть простой делитель \(q\) такой, что \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] Действительно, если бы каждый простой делитель \(N\) был сравним с \(1\) по модулю \(p^2\), то их произведение с учётом кратностей также было бы сравнимо с \(1\).
Утверждаем, что это \(q\) подходит. Из равенства \[ (p-1)N=p^p-1 \] получаем \(p^p\equiv 1\pmod q\). Кроме того, \(p\not\equiv 1\pmod q\): иначе из определения \(N\) как суммы \(p\) слагаемых следовало бы \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] что противоречит \(q\mid N\).
Предположим теперь, что некоторое положительное целое число \(n\) удовлетворяет сравнению \(n^p\equiv p\pmod q\). Тогда \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] Таким образом, мультипликативный порядок \(d\) числа \(n\) по модулю \(q\) делит \(p^2\), но не делит \(p\). Поскольку \(p\) — простое число, отсюда следует \(d=p^2\).
С другой стороны, по малой теореме Ферма \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\), поэтому \(d\mid q-1\). Здесь порядок делит любой показатель степени, при котором получается остаток \(1\): это сразу следует из деления этого показателя на \(d\) с остатком и минимальности \(d\). Следовательно, \[ p^2\mid q-1, \] что противоречит выбору \(q\).
Итак, \(q\nmid n^p-p\) для любого положительного целого числа \(n\), что и требовалось доказать. \(\square\)
Решение проверено по опубликованным заметкам Эвана Чена с решениями IMO.
IMO 2003 · المسألة 6
أثبت أنه لكل عدد أولي \(p\)، يوجد عدد أولي \(q\) بحيث لا يقبل \(n^p-p\) القسمة على \(q\) لأي عدد صحيح موجب \(n\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الحل
ليكن \(p\) أي عدد أولي، ولنضع \[ N=1+p+p^2+\cdots+p^{p-1}. \] بما أن \(p\ge 2\)، فإن \(N>1\)، وكذلك \[ N\equiv 1+p\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] وبالتالي، يوجد قاسم أولي \(q\) للعدد \(N\) بحيث \[ q\not\equiv 1\pmod{p^2}. \] بالفعل، لو كان كل قاسم أولي للعدد \(N\) موافقًا لـ\(1\) بترديد \(p^2\)، لكان حاصل ضرب هذه القواسم، مع احتساب تكرار كل منها، موافقًا أيضًا لـ\(1\).
ندّعي أن هذا العدد \(q\) يحقق المطلوب. من \[ (p-1)N=p^p-1 \] نحصل على \(p^p\equiv 1\pmod q\). فضلًا عن ذلك، فإن \(p\not\equiv 1\pmod q\): وإلا لأعطت الحدود الـ\(p\) التي تعرّف \(N\) العلاقة \[ N\equiv p\equiv 1\pmod q, \] وهذا يناقض \(q\mid N\).
لنفترض الآن أن عددًا صحيحًا موجبًا \(n\) يحقق \(n^p\equiv p\pmod q\). عندئذ \[ n^{p^2}\equiv p^p\equiv 1\pmod q, \qquad n^p\not\equiv 1\pmod q. \] إذن الرتبة الضربية \(d\) للعدد \(n\) بترديد \(q\) تقسم \(p^2\)، لكنها لا تقسم \(p\). وبما أن \(p\) أولي، فإن هذا يقتضي \(d=p^2\).
من جهة أخرى، تعطي مبرهنة فيرما الصغرى \(n^{q-1}\equiv 1\pmod q\)، ومن ثم \(d\mid q-1\). فالرتبة تقسم كل أس يعطي الباقي \(1\)، وهذا ينتج مباشرة من قسمة ذلك الأس على \(d\) واستخدام أصغرية \(d\). وعليه، \[ p^2\mid q-1, \] وهذا يناقض اختيارنا لـ\(q\).
إذن \(q\nmid n^p-p\) لكل عدد صحيح موجب \(n\)، كما هو مطلوب. \(\square\)
تمت مراجعة الحل بمقارنته بملاحظات حلول IMO المنشورة لإيفان تشين.