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番外 · 闲灯 / 美国数学奥林匹克 / P3 · number-theory

1991 USAMO 第 3 题

题面据 USAMO 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。

USAMO 1991 P3 number-theory

Show that, for any fixed integer n1,\,n \geq 1,\, the sequence

2,  22,  222,  2222,(modn)2, \; 2^2, \; 2^{2^2}, \; 2^{2^{2^2}}, \ldots \pmod{n}

is eventually constant.

[The tower of exponents is defined by a1=2,  ai+1=2aia_1 = 2, \; a_{i+1} = 2^{a_i}. Also ai(modn)a_i \pmod{n} means the remainder which results from dividing ai\,a_i\, by n\,n.]

证明,对于任何固定整数 n1,\,n \geq 1,\, 序列

2  22\;222,  2222,(modn)2、\; 2^2,\; 2^{2^2}, \; 2^{2^{2^2}}, \ldots \pmod{n}

最终是恒定的。

[指数塔由 a1=2,  定义ai+1=2aia_1 = 2, \; 定义a_{i+1} = 2^{a_i}。另外 ai(modn)a_i \pmod{n} 表示 ai\,a_i\, 除以 n\,n 所得的余数。]

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。1991 年 USAMO P3 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?