Shortlist 2016, N2¶
Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★☆☆☆☆ · Proposé par : non indiqué
Concepts : Fonctions arithmétiques : nombre de diviseurs, indicatrice d'Euler, somme des diviseurs · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
Solution officielle : Shortlist officielle 2016 (avec solutions), p. 73 (page 76 du PDF)
Énoncé¶
Let \(\tau(n)\) be the number of positive divisors of \(n\). Let \(\tau_1(n)\) be the number of positive divisors of \(n\) which have remainders \(1\) when divided by \(3\). Find all possible integral values of the fraction \(\dfrac{\tau(10n)}{\tau_1(10n)}\).
Indices : les idées clés
- Nombre de diviseurs : \(\tau\) se calcule à partir des exposants de la décomposition en facteurs premiers ; on obtient de même une formule pour \(\tau_1\).
- Congruences modulo 3 : un diviseur est \(\equiv 1 \pmod 3\) si et seulement s'il n'est pas divisible par \(3\) et contient un nombre pair de facteurs premiers \(\equiv 2 \pmod 3\) (comptés avec multiplicité).
- Discussion de parité : selon la parité de \(c = (y+2)(z+2)\prod (b_j + 1)\), le quotient vaut \(2(x+1)\) ou \(\frac{2(x+1)c}{c+1}\).
Solutions
Les solutions ci-dessous suivent la solution officielle de la Shortlist 2016 (une solution).
Réponse. Les nombres composés, ainsi que \(2\).
Solution¶
Dans toute la solution, les \(p_i\) désignent des nombres premiers congrus à \(1\) modulo \(3\), et les \(q_j\) des nombres premiers congrus à \(2\) modulo \(3\). Dans les décompositions en facteurs premiers, on autorise des exposants nuls (ce qui inclut le cas \(m = 1\)). Calculons d'abord \(\tau_1(m)\).
Affirmation. Si \(m = 3^x p_1^{a_1} p_2^{a_2} \cdots p_s^{a_s} q_1^{b_1} q_2^{b_2} \cdots q_t^{b_t}\), alors
Preuve. Un diviseur de \(m\) congru à \(1\) modulo \(3\) ne peut pas contenir le facteur \(3\) ; il n'y a aucune contrainte sur les facteurs premiers congrus à \(1\) modulo \(3\) ; enfin, il doit contenir un nombre pair de facteurs premiers congrus à \(2\) modulo \(3\) (comptés avec multiplicité).
Si \(\prod_{j=1}^{t} (b_j + 1)\) est pair, on peut supposer que \(b_1 + 1\) est pair. On choisit librement les exposants de \(q_2, q_3, \ldots, q_t\), de \(\prod_{j=2}^{t} (b_j + 1)\) façons. La parité de l'exposant de \(q_1\) est alors imposée, et il y a \(\frac{1}{2}(b_1 + 1)\) façons de choisir cet exposant. Donc (1) est vraie dans ce cas.
Si \(\prod_{j=1}^{t} (b_j + 1)\) est impair, on compte par récurrence sur \(t\). Pour \(t = 1\), il y a \(\left\lceil \frac{b_1 + 1}{2} \right\rceil\) choix d'exposant pair et \(\left\lfloor \frac{b_1 + 1}{2} \right\rfloor\) choix d'exposant impair. Pour l'hérédité, le nombre de choix comportant un nombre pair de facteurs premiers est
et il y a donc \(\left\lfloor \frac{1}{2} \prod_{j=1}^{t} (b_j + 1) \right\rfloor\) choix comportant un nombre impair de facteurs premiers. Donc (1) est vraie aussi dans ce cas. \(\square\)
Précision ajoutée sur l'égalité ci-dessus : si \(u = \prod_{j=1}^{t-1}(b_j + 1) = 2k + 1\) et \(b_t + 1 = 2l + 1\), le membre de gauche vaut \((k+1)(l+1) + kl = 2kl + k + l + 1 = \left\lceil \frac{(2k+1)(2l+1)}{2} \right\rceil\).
Écrivons maintenant \(n = 3^x 2^y 5^z p_1^{a_1} \cdots p_s^{a_s} q_1^{b_1} \cdots q_t^{b_t}\) (ici les \(q_j\) sont différents de \(2\) et \(5\), qui sont eux-mêmes congrus à \(2\) modulo \(3\)). Par la formule classique du nombre de diviseurs,
D'après l'affirmation,
Posons \(c = (y + 2)(z + 2) \prod_{j=1}^{t} (b_j + 1)\).
Si \(c\) est pair, (2) et (3) donnent
Dans ce cas, le quotient peut prendre toutes les valeurs entières paires strictement positives quand \(x\) parcourt les entiers positifs ou nuls.
Si \(c\) est impair, c'est-à-dire si \(y\) et \(z\) sont impairs et si tous les \(b_j\) sont pairs, (2) et (3) donnent
Pour que ce soit un entier, il faut que \(c + 1\) divise \(2(x + 1)\), puisque \(c\) et \(c + 1\) sont premiers entre eux. Posons \(2(x + 1) = k(c + 1)\). Alors (4) devient
Comme \(y\) et \(z\) sont impairs, les entiers \(y + 2\) et \(z + 2\) sont au moins égaux à \(3\) ; le quotient est donc un nombre composé. Réciproquement, pour tout nombre composé impair \(ab\) avec \(a, b \geq 3\) (impairs), on peut prendre \(n = 3^{\frac{ab - 1}{2}} \cdot 2^{a - 2} \cdot 5^{b - 2}\), et (5) donne \(\frac{\tau(10n)}{\tau_1(10n)} = ab\) (avec \(k = 1\)).
Conclusion. Le quotient peut être n'importe quel entier pair ou n'importe quel nombre composé impair ; de façon équivalente, il peut valoir \(2\) ou n'importe quel nombre composé. \(\blacksquare\)