IMO 2022 · Problem 5
Find all triples \((a,b,p)\) of positive integers with \(p\) prime and \[ a^p=b!+p. \]
Official text of the problem. Official problem paper (PDF)
Answer
The only triples are \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{and}\quad(3,4,3).} \]
Solution
Since \(a^p=b!+p\ge3\), we have \(a\ge2\).
First, we prove that \(b\ge p\). Suppose instead that \(b<p\). If \(a\le b\), then \(a\mid b!\), so the equation implies \(a\mid p\). As \(p\) is prime and \(a\ge2\), this gives \(a=p>b\), a contradiction. Thus \(a>b\), and consequently \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] It follows that \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] which is impossible. Here the last inequality follows from the binomial theorem: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] Therefore \(b\ge p\).
Since \(p\mid b!\), the equation now implies \(p\mid a\). If \(b\ge2p\), then \(p^2\mid b!\); also \(p^2\mid a^p\), because \(p\mid a\) and \(p\ge2\). This would give \(p^2\mid p\), a contradiction. Hence \[ p\le b<2p. \]
We next prove that \(a=p\). Pairing the factors of \((2p-1)!\), we obtain \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] because \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\). Thus \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] so \(a<p^2\).
Write \(a=pc\), where \(1\le c<p\). Since \(c\le b\), we have \(c\mid b!\); also \(c\mid a^p\). Therefore \(c\mid p\). As \(p\) is prime and \(c<p\), we conclude that \(c=1\), proving \(a=p\). Our equation becomes \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
We now rule out every prime \(p\ge7\). For such \(p\), \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] Thus \(b=p\) is impossible, and hence \(b\ge p+1\).
The four integers \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] are distinct and belong to \(\{1,\ldots,b\}\). Their product therefore divides \(b!\), giving \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] Since \(p\) is relatively prime to \((p-1)^2(p+1)\), equation (1) implies \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
Set \(m=(p-1)/2\). Factoring, \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] As \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\), divisibility (2) requires \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}. \] But \(p\equiv1\pmod{p-1}\), so the sum on the right is congruent to \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1}. \] This contradiction excludes all \(p\ge7\).
It remains to consider \(p=2,3,5\), with \(a=p\).
- If \(p=2\), then \(b!=2^2-2=2\), so \(b=2\).
- If \(p=3\), then \(b!=3^3-3=24\), so \(b=4\).
- If \(p=5\), then \(b!=5^5-5=3120\), which is impossible because \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
Finally, \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] so both listed triples satisfy the equation.
The solution was checked against the official IMO shortlist solutions.
IMO 2022 · Aufgabe 5
Man bestimme alle Tripel \((a,b,p)\) positiver ganzer Zahlen mit Primzahl \(p\) und \[ a^p=b!+p. \]
Offizieller deutscher Aufgabentext. Offizielles Aufgabenblatt (PDF)
Antwort
Die einzigen Tripel sind \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{und}\quad(3,4,3).} \]
Lösung
Wegen \(a^p=b!+p\ge3\) gilt \(a\ge2\).
Zunächst beweisen wir, dass \(b\ge p\) gilt. Angenommen, stattdessen gilt \(b<p\). Ist \(a\le b\), so gilt \(a\mid b!\), und aus der Gleichung folgt daher \(a\mid p\). Da \(p\) eine Primzahl und \(a\ge2\) ist, ergibt dies \(a=p>b\), einen Widerspruch. Also ist \(a>b\), und folglich gilt \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] Daraus folgt \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] was unmöglich ist. Die letzte Ungleichung folgt hierbei aus dem binomischen Lehrsatz: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] Daher gilt \(b\ge p\).
Wegen \(p\mid b!\) folgt nun aus der Gleichung \(p\mid a\). Ist \(b\ge2p\), so gilt \(p^2\mid b!\); außerdem gilt \(p^2\mid a^p\), da \(p\mid a\) und \(p\ge2\). Dies würde \(p^2\mid p\) ergeben, einen Widerspruch. Also gilt \[ p\le b<2p. \]
Als Nächstes beweisen wir, dass \(a=p\) gilt. Durch paarweises Zusammenfassen der Faktoren von \((2p-1)!\) erhalten wir \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] denn \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\). Somit gilt \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] also \(a<p^2\).
Wir schreiben \(a=pc\) mit \(1\le c<p\). Wegen \(c\le b\) gilt \(c\mid b!\); außerdem gilt \(c\mid a^p\). Daher ist \(c\mid p\). Da \(p\) eine Primzahl und \(c<p\) ist, folgt \(c=1\), womit \(a=p\) bewiesen ist. Unsere Gleichung wird zu \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
Wir schließen nun jede Primzahl \(p\ge7\) aus. Für ein solches \(p\) gilt \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] Somit ist \(b=p\) unmöglich, und daher gilt \(b\ge p+1\).
Die vier ganzen Zahlen \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] sind verschieden und gehören zu \(\{1,\ldots,b\}\). Ihr Produkt teilt daher \(b!\), also gilt \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] Da \(p\) zu \((p-1)^2(p+1)\) teilerfremd ist, folgt aus Gleichung (1) \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
Wir setzen \(m=(p-1)/2\). Durch Faktorisieren erhalten wir \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] Wegen \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\) erfordert die Teilbarkeitsbeziehung (2), dass \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)} \] gilt. Doch es ist \(p\equiv1\pmod{p-1}\), sodass die Summe auf der rechten Seite kongruent zu \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1} \] ist. Dieser Widerspruch schließt alle \(p\ge7\) aus.
Es bleiben \(p=2,3,5\) mit \(a=p\) zu betrachten.
- Ist \(p=2\), so gilt \(b!=2^2-2=2\), also \(b=2\).
- Ist \(p=3\), so gilt \(b!=3^3-3=24\), also \(b=4\).
- Ist \(p=5\), so gilt \(b!=5^5-5=3120\), was unmöglich ist, denn \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
Schließlich gilt \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] also erfüllen beide angegebenen Tripel die Gleichung.
Die Lösung wurde mit den offiziellen Lösungen der IMO-Shortlist abgeglichen.
IMO 2022 · Soru 5
\(a,b\) pozitif tam sayılar ve \(p\) asal sayı olmak üzere
\[ a^p=b!+p \]
denklemini sağlayan tüm \((a,b,p)\) üçlülerini bulunuz.
Sorunun resmi Türkçe metni. Resmi soru kâğıdı (PDF)
Cevap
Yalnızca \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{ve}\quad(3,4,3)} \] üçlüleri vardır.
Çözüm
\(a^p=b!+p\ge3\) olduğundan \(a\ge2\) olur.
Önce \(b\ge p\) olduğunu kanıtlayacağız. Aksine \(b<p\) olduğunu varsayalım. \(a\le b\) ise \(a\mid b!\) olur; dolayısıyla denklem \(a\mid p\) verir. \(p\) asal ve \(a\ge2\) olduğundan, buradan \(a=p>b\) çıkar ki bu bir çelişkidir. Böylece \(a>b\) ve dolayısıyla \[ b!<a^b\le a^{p-1} \] olur. Buradan \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] sonucu çıkar ki bu olanaksızdır. Buradaki son eşitsizlik binom teoreminden gelir: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] Dolayısıyla \(b\ge p\) olur.
\(p\mid b!\) olduğundan denklem şimdi \(p\mid a\) verir. \(b\ge2p\) ise \(p^2\mid b!\) olur; ayrıca \(p\mid a\) ve \(p\ge2\) olduğundan \(p^2\mid a^p\) olur. Bu ise \(p^2\mid p\) verir ki bu bir çelişkidir. Dolayısıyla \[ p\le b<2p. \]
Şimdi \(a=p\) olduğunu kanıtlayacağız. \((2p-1)!\)'in çarpanlarını eşleştirerek \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] elde ederiz, çünkü \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\) olur. Böylece \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] ve dolayısıyla \(a<p^2\) olur.
\(1\le c<p\) olmak üzere \(a=pc\) yazalım. \(c\le b\) olduğundan \(c\mid b!\) olur; ayrıca \(c\mid a^p\) olur. Dolayısıyla \(c\mid p\)'dir. \(p\) asal ve \(c<p\) olduğundan \(c=1\) sonucuna ulaşırız; bu da \(a=p\) olduğunu kanıtlar. Denklemimiz \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr) \tag{1} \] hâline gelir.
Şimdi her \(p\ge7\) asal sayısını eleyeceğiz. Böyle bir \(p\) için \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] Dolayısıyla \(b=p\) olanaksızdır ve bu nedenle \(b\ge p+1\) olur.
Şu dört tam sayı \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] birbirinden farklıdır ve \(\{1,\ldots,b\}\) kümesine aittir. Dolayısıyla çarpımları \(b!\)'i böler ve \[ (p-1)^2(p+1)\mid b! \] elde edilir. \(p\) ile \((p-1)^2(p+1)\) aralarında asal olduğundan (1) denklemi \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1 \tag{2} \] verir.
\(m=(p-1)/2\) olsun. Çarpanlara ayırarak \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right) \] elde ederiz. \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\) olduğundan (2)'deki bölünebilirlik \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)} \] gerektirir. Ancak \(p\equiv1\pmod{p-1}\) olduğundan sağ taraftaki toplamın \(p-1\) modundaki kalanı \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1} \] olur. Bu çelişki tüm \(p\ge7\) değerlerini eler.
Geriye, \(a=p\) olmak üzere \(p=2,3,5\) durumlarını ele almak kalır.
- \(p=2\) ise \(b!=2^2-2=2\) olur; dolayısıyla \(b=2\)'dir.
- \(p=3\) ise \(b!=3^3-3=24\) olur; dolayısıyla \(b=4\)'tür.
- \(p=5\) ise \(b!=5^5-5=3120\) olur; bu ise olanaksızdır, çünkü \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
Son olarak, \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] olduğundan, belirtilen her iki üçlü de denklemi sağlar.
Çözüm, resmi IMO shortlist çözümleriyle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IMO 2022 · Problema 5
Hallar todas las ternas \((a,b,p)\) de números enteros positivos con \(p\) primo que satisfacen \[ a^p=b!+p. \]
Texto oficial en español del problema. Enunciado oficial (PDF)
Respuesta
Las únicas ternas son \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{y}\quad(3,4,3).} \]
Solución
Como \(a^p=b!+p\ge3\), tenemos \(a\ge2\).
Primero demostramos que \(b\ge p\). Supongamos, por el contrario, que \(b<p\). Si \(a\le b\), entonces \(a\mid b!\), de modo que la ecuación implica \(a\mid p\). Como \(p\) es primo y \(a\ge2\), esto da \(a=p>b\), una contradicción. Así pues, \(a>b\) y, por consiguiente, \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] Se deduce que \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] lo cual es imposible. Aquí, la última desigualdad se deduce del teorema del binomio: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] Por tanto, \(b\ge p\).
Como \(p\mid b!\), la ecuación implica ahora \(p\mid a\). Si \(b\ge2p\), entonces \(p^2\mid b!\); además, \(p^2\mid a^p\), porque \(p\mid a\) y \(p\ge2\). Esto daría \(p^2\mid p\), una contradicción. Por tanto, \[ p\le b<2p. \]
A continuación demostramos que \(a=p\). Emparejando los factores de \((2p-1)!\), obtenemos \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] porque \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\). Así pues, \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] de modo que \(a<p^2\).
Escribamos \(a=pc\), donde \(1\le c<p\). Como \(c\le b\), tenemos \(c\mid b!\); además, \(c\mid a^p\). Por tanto, \(c\mid p\). Como \(p\) es primo y \(c<p\), concluimos que \(c=1\), lo que demuestra que \(a=p\). Nuestra ecuación se convierte en \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
Ahora descartamos todos los primos \(p\ge7\). Para estos \(p\), \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] Así pues, \(b=p\) es imposible, y por tanto \(b\ge p+1\).
Los cuatro enteros \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] son distintos y pertenecen a \(\{1,\ldots,b\}\). Por tanto, su producto divide a \(b!\), lo que da \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] Como \(p\) es primo relativo con \((p-1)^2(p+1)\), la ecuación (1) implica \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
Sea \(m=(p-1)/2\). Factorizando, \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] Como \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\), la divisibilidad (2) exige que \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}. \] Pero \(p\equiv1\pmod{p-1}\), de modo que la suma de la derecha es congruente con \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1}. \] Esta contradicción excluye todos los \(p\ge7\).
Queda por considerar \(p=2,3,5\), con \(a=p\).
- Si \(p=2\), entonces \(b!=2^2-2=2\), de modo que \(b=2\).
- Si \(p=3\), entonces \(b!=3^3-3=24\), de modo que \(b=4\).
- Si \(p=5\), entonces \(b!=5^5-5=3120\), lo cual es imposible porque \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
Finalmente, \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] de modo que ambas ternas indicadas satisfacen la ecuación.
La solución se comprobó con las soluciones oficiales de la shortlist de la IMO.
IMO 2022 · 问题 5
找出所有三元正整数组 \((a,b,p)\),满足 \(p\) 是素数且 \[ a^p=b!+p. \]
题目为官方中文译本。 官方试卷 (PDF)
答案
仅有的三元组为 \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{和}\quad(3,4,3).} \]
解答
由于 \(a^p=b!+p\ge3\),有 \(a\ge2\)。
首先,我们证明 \(b\ge p\)。反设 \(b<p\)。若 \(a\le b\),则 \(a\mid b!\),所以由方程可知 \(a\mid p\)。由于 \(p\) 是素数且 \(a\ge2\),得到 \(a=p>b\),矛盾。因此 \(a>b\),从而 \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] 于是 \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] 这不可能。这里最后一个不等式由二项式定理得到: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] 因此 \(b\ge p\)。
由于 \(p\mid b!\),由方程可知 \(p\mid a\)。若 \(b\ge2p\),则 \(p^2\mid b!\);又因为 \(p\mid a\) 且 \(p\ge2\),有 \(p^2\mid a^p\)。这将给出 \(p^2\mid p\),矛盾。因此 \[ p\le b<2p. \]
接下来证明 \(a=p\)。将 \((2p-1)!\) 中的因子配对,得到 \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] 因为 \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\)。因此 \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] 所以 \(a<p^2\)。
写成 \(a=pc\),其中 \(1\le c<p\)。由于 \(c\le b\),有 \(c\mid b!\);又有 \(c\mid a^p\)。因此 \(c\mid p\)。由于 \(p\) 是素数且 \(c<p\),可知 \(c=1\),从而证明了 \(a=p\)。原方程化为 \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
现在排除所有素数 \(p\ge7\)。对于这样的 \(p\),有 \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] 因此 \(b=p\) 不可能,从而 \(b\ge p+1\)。
四个整数 \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] 互不相同,且都属于 \(\{1,\ldots,b\}\)。因此,它们的乘积整除 \(b!\),得到 \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] 由于 \(p\) 与 \((p-1)^2(p+1)\) 互素,由方程 (1) 可知 \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
令 \(m=(p-1)/2\)。分解因式,得 \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] 由于 \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\),整除关系 (2) 要求 \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}. \] 但 \(p\equiv1\pmod{p-1}\),所以右侧的和同余于 \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1}. \] 这一矛盾排除了所有 \(p\ge7\) 的情形。
只需考虑 \(p=2,3,5\),其中 \(a=p\)。
- 若 \(p=2\),则 \(b!=2^2-2=2\),所以 \(b=2\)。
- 若 \(p=3\),则 \(b!=3^3-3=24\),所以 \(b=4\)。
- 若 \(p=5\),则 \(b!=5^5-5=3120\),这不可能,因为 \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
最后, \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] 所以列出的两个三元组都满足方程。
解答已与 IMO 官方预选题(shortlist)解答核对。
IMO 2022 · Задача 5
Найдите все тройки \((a,b,p)\) целых положительных чисел, такие что число \(p\) простое и \[ a^p=b!+p. \]
Официальный русский текст задачи. Официальный текст задач (PDF)
Ответ
Единственные такие тройки — \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{и}\quad(3,4,3).} \]
Решение
Поскольку \(a^p=b!+p\ge3\), имеем \(a\ge2\).
Сначала докажем, что \(b\ge p\). Предположим, напротив, что \(b<p\). Если \(a\le b\), то \(a\mid b!\), поэтому из уравнения следует \(a\mid p\). Так как \(p\) простое и \(a\ge2\), получаем \(a=p>b\) — противоречие. Таким образом, \(a>b\), и, следовательно, \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] Отсюда следует \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] что невозможно. Здесь последнее неравенство следует из бинома Ньютона: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] Следовательно, \(b\ge p\).
Поскольку \(p\mid b!\), теперь из уравнения следует \(p\mid a\). Если \(b\ge2p\), то \(p^2\mid b!\); кроме того, \(p^2\mid a^p\), так как \(p\mid a\) и \(p\ge2\). Тогда получилось бы \(p^2\mid p\) — противоречие. Значит, \[ p\le b<2p. \]
Далее докажем, что \(a=p\). Объединяя множители \((2p-1)!\) в пары, получаем \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] поскольку \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\). Поэтому \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] откуда \(a<p^2\).
Запишем \(a=pc\), где \(1\le c<p\). Поскольку \(c\le b\), имеем \(c\mid b!\); кроме того, \(c\mid a^p\). Следовательно, \(c\mid p\). Так как \(p\) простое и \(c<p\), заключаем, что \(c=1\), что доказывает равенство \(a=p\). Наше уравнение принимает вид \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
Теперь исключим все простые \(p\ge7\). Для таких \(p\) \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] Таким образом, \(b=p\) невозможно, и потому \(b\ge p+1\).
Четыре целых числа \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] различны и принадлежат \(\{1,\ldots,b\}\). Следовательно, их произведение делит \(b!\), откуда \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] Поскольку \(p\) взаимно просто с \((p-1)^2(p+1)\), из уравнения (1) следует \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
Положим \(m=(p-1)/2\). Разлагая на множители, получаем \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] Так как \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\), из делимости (2) необходимо следует \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}. \] Но \(p\equiv1\pmod{p-1}\), поэтому сумма справа сравнима по модулю \(p-1\) с \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1}. \] Это противоречие исключает все \(p\ge7\).
Остаётся рассмотреть \(p=2,3,5\), причём \(a=p\).
- Если \(p=2\), то \(b!=2^2-2=2\), поэтому \(b=2\).
- Если \(p=3\), то \(b!=3^3-3=24\), поэтому \(b=4\).
- Если \(p=5\), то \(b!=5^5-5=3120\), что невозможно, поскольку \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
Наконец, \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] поэтому обе указанные тройки удовлетворяют уравнению.
Решение проверено по официальным решениям шортлиста IMO.
IMO 2022 · المسألة 5
أوجد جميع الثلاثيات المرتبة \((a,b,p)\) من الأعداد الصحيحة الموجبة و \(p\) عدد أولي والتي تحقق أن: \[ a^p=b!+p \]
نص المسألة هو الترجمة العربية الرسمية. ورقة المسائل الرسمية (PDF)
الإجابة
الثلاثيات الوحيدة هي \[ \boxed{(a,b,p)=(2,2,2)\quad\text{و}\quad(3,4,3).} \]
الحل
بما أن \(a^p=b!+p\ge3\)، فإن \(a\ge2\).
نثبت أولًا أن \(b\ge p\). لنفترض، خلافًا لذلك، أن \(b<p\). إذا كان \(a\le b\)، فإن \(a\mid b!\)، ومن ثم تستلزم المعادلة \(a\mid p\). وبما أن \(p\) أولي و \(a\ge2\)، فهذا يعطي \(a=p>b\)، وهو تناقض. إذن \(a>b\)، وبالتالي \[ b!<a^b\le a^{p-1}. \] وينتج أن \[ p=a^p-b!>a^{p-1}(a-1)\ge2^{p-1}\ge p, \] وهذا مستحيل. هنا تنتج المتباينة الأخيرة من مبرهنة ذات الحدين: \[ 2^{p-1}=(1+1)^{p-1}\ge1+(p-1)=p. \] وعليه فإن \(b\ge p\).
بما أن \(p\mid b!\)، فإن المعادلة تستلزم الآن \(p\mid a\). إذا كان \(b\ge2p\)، فإن \(p^2\mid b!\)؛ وكذلك \(p^2\mid a^p\)، لأن \(p\mid a\) و \(p\ge2\). وهذا يعطي \(p^2\mid p\)، وهو تناقض. ومن ثم \[ p\le b<2p. \]
نثبت بعد ذلك أن \(a=p\). بتجميع عوامل \((2p-1)!\) في أزواج، نحصل على \[ (2p-1)! =p\prod_{i=1}^{p-1}i(2p-i) <p\prod_{i=1}^{p-1}p^2 =p^{2p-1}, \] لأن \(i(2p-i)=p^2-(p-i)^2<p^2\). إذن \[ a^p=b!+p \le(2p-1)!+p <p^{2p-1}+p \le2p^{2p-1} \le p^{2p}, \] ومن ثم \(a<p^2\).
نكتب \(a=pc\)، حيث \(1\le c<p\). بما أن \(c\le b\)، فإن \(c\mid b!\)؛ وكذلك \(c\mid a^p\). ولذلك \(c\mid p\). وبما أن \(p\) أولي و \(c<p\)، نستنتج أن \(c=1\)، وهذا يثبت \(a=p\). فتصبح معادلتنا \[ b!=p\bigl(p^{p-1}-1\bigr). \tag{1} \]
نستبعد الآن كل عدد أولي \(p\ge7\). فلكل \(p\) كهذا، \[ p!+p\le p^{p-1}+p<2p^{p-1}<p^p. \] إذن يستحيل أن يكون \(b=p\)، ومن ثم \(b\ge p+1\).
الأعداد الصحيحة الأربعة \[ 2,\qquad \frac{p-1}{2},\qquad p-1,\qquad p+1 \] مختلفة وتنتمي إلى \(\{1,\ldots,b\}\). ولذلك يقسم حاصل ضربها \(b!\)، فنحصل على \[ (p-1)^2(p+1)\mid b!. \] وبما أن \(p\) أولي نسبيًا مع \((p-1)^2(p+1)\)، فإن المعادلة (1) تستلزم \[ (p-1)^2(p+1)\mid p^{p-1}-1. \tag{2} \]
نضع \(m=(p-1)/2\). بالتحليل إلى عوامل، \[ p^{p-1}-1 =(p^2-1)\left(1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}\right). \] وبما أن \((p-1)^2(p+1)=(p-1)(p^2-1)\)، فإن قابلية القسمة (2) تستلزم \[ p-1\mid 1+p^2+p^4+\cdots+p^{2(m-1)}. \] لكن \(p\equiv1\pmod{p-1}\)، ولذلك يكون المجموع في الطرف الأيمن موافقًا لـ \[ m=\frac{p-1}{2}\not\equiv0\pmod{p-1}. \] يستبعد هذا التناقض جميع القيم \(p\ge7\).
يبقى النظر في \(p=2,3,5\)، مع \(a=p\).
- إذا كان \(p=2\)، فإن \(b!=2^2-2=2\)، ومن ثم \(b=2\).
- إذا كان \(p=3\)، فإن \(b!=3^3-3=24\)، ومن ثم \(b=4\).
- إذا كان \(p=5\)، فإن \(b!=5^5-5=3120\)، وهذا مستحيل لأن \[ 6!=720<3120<5040=7!. \]
أخيرًا، \[ 2^2=2!+2,\qquad 3^3=4!+3, \] فتحقق كلتا الثلاثيتين المذكورتين المعادلة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحلول الرسمية لقائمة IMO المختصرة.