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番外 · 闲灯 / IMO Shortlist / N8 · number-theory

2011 IMO Shortlist N8

题面据 IMO Shortlist 可核档案整理;中文题意为本站自译,公式请以原始来源为准。

IMO Shortlist 2011 N8 number-theory

Let kk be a positive integer and set n=2k+1n=2^{k}+1. Prove that nn is a prime number if and only if the following holds: there is a permutation a1,,an1a_{1}, \ldots, a_{n-1} of the numbers 1,2,,n11,2, \ldots, n-1 and a sequence of integers g1,g2,,gn1g_{1}, g_{2}, \ldots, g_{n-1} such that nn divides giaiai+1g_{i}^{a_{i}}-a_{i+1} for every i{1,2,,n1}i \in\{1,2, \ldots, n-1\}, where we set an=a1a_{n}=a_{1}.

kk为正整数并设置n=2k+1n=2^{k}+1。证明 nn 是素数当且仅当以下成立:存在数字 1,2,,n11,2, \ldots, n-1 的排列 a1,,an1a_{1}, \ldots, a_{n-1} 和整数序列 g1,g2,,gn1g_{1}, g_{2}, \ldots, g_{n-1} 使得 nn 整除giaiai+1g_{i}^{a_{i}}-a_{i+1} 对于每个 i{1,2,,n1}i \in\{1,2, \ldots, n-1\},其中我们设置 an=a1a_{n}=a_{1}

提示 1

先看同余、整除、最大公因数和 p 进赋值。

提示 2

把整数条件转成同余方程、指数比较或下降过程。

提示 3

若要存在性,用构造;若要唯一性,用最小反例、无限下降或模限制。

完整解答

这页先给题面、题型和提示阶梯,完整证明留给读者逐步展开。2011 年 IMO Shortlist N8 可先归入数论:第一步把题设翻成对象、条件、目标三行;第二步沿提示寻找不变量、标准构型或关键变形;第三步补齐边界情形,并回到题目原要求核对。

这题适合先独立想一轮再打开提示。不要急着搜索完整解答,先问自己:题面里最硬的限制是哪一句?