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Shortlist 2018, N4

Domaine : Théorie des nombres · Difficulté : ★★★☆☆ · Proposé par : Mongolia

Concepts : Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Valuations p-adiques et lemme LTE

Solution officielle : Shortlist officielle 2018 (avec solutions), p. 62 (page 64 du PDF)

Problème 5 de l'OIM 2018

Ce problème a été choisi parmi ceux de la shortlist pour l'épreuve de l'OIM 2018, où il était le problème 5 (jour 2).

Énoncé

Let \(a_1, a_2, \ldots, a_n, \ldots\) be a sequence of positive integers such that

\[\frac{a_1}{a_2} + \frac{a_2}{a_3} + \cdots + \frac{a_{n-1}}{a_n} + \frac{a_n}{a_1}\]

is an integer for all \(n \geq k\), where \(k\) is some positive integer. Prove that there exists a positive integer \(m\) such that \(a_n = a_{n+1}\) for all \(n \geq m\).

Indices : les idées clés
  • Regarder la différence \(s_{n+1} - s_n\) : elle ne fait intervenir que \(a_1\), \(a_n\) et \(a_{n+1}\), et doit être entière pour \(n \geq k\).
  • PGCD (solution 1) : deux petits lemmes de divisibilité montrent que \(d_n = \gcd(a_1, a_n)\) divise \(d_{n+1}\), donc se stabilise, puis que \(a_{n+1} \mid a_n\) à partir d'un certain rang.
  • Valuations \(p\)-adiques (solution 2) : pour chaque premier \(p\) (en nombre fini), la suite \(v_p(a_n)\) est monotone et bornée à partir d'un certain rang.
  • Suite monotone d'entiers bornée : elle est stationnaire.
Solutions

Les solutions ci-dessous suivent les solutions officielles de la Shortlist 2018 (deux solutions et une remarque).

Solution 1

L'argument repose sur deux faits. Soient \(a, b, c\) des entiers positifs tels que \(N = \frac{b}{c} + \frac{c - b}{a}\) soit un entier.

  1. Si \(\gcd(a, c) = 1\), alors \(c\) divise \(b\).
  2. Si \(\gcd(a, b, c) = 1\), alors \(\gcd(a, b) = 1\).

Pour (1), on écrit \(ab = c(aN + b - c)\) ; comme \(\gcd(a, c) = 1\), \(c\) divise \(b\). Pour (2), on écrit \(c^2 - bc = a(cN - b)\), donc \(a\) divise \(c^2 - bc\). Si \(d = \gcd(a, b)\), alors \(d\) divise \(c^2\) ; comme \(d\) et \(c\) sont premiers entre eux par hypothèse, \(d = 1\).

Posons \(s_n = \frac{a_1}{a_2} + \frac{a_2}{a_3} + \cdots + \frac{a_{n-1}}{a_n} + \frac{a_n}{a_1}\) et \(\delta_n = \gcd(a_1, a_n, a_{n+1})\). On a

\[s_{n+1} - s_n = \frac{a_n}{a_{n+1}} + \frac{a_{n+1} - a_n}{a_1} = \frac{a_n/\delta_n}{a_{n+1}/\delta_n} + \frac{a_{n+1}/\delta_n - a_n/\delta_n}{a_1/\delta_n}.\]

Soit \(n \geq k\) ; ce nombre est entier. Comme \(\gcd(a_1/\delta_n, a_n/\delta_n, a_{n+1}/\delta_n) = 1\), le fait (2) donne \(\gcd(a_1/\delta_n, a_n/\delta_n) = 1\). Soit \(d_n = \gcd(a_1, a_n)\). Alors \(d_n = \delta_n \cdot \gcd(a_1/\delta_n, a_n/\delta_n) = \delta_n\), donc \(d_n\) divise \(a_{n+1}\), et par conséquent \(d_n\) divise \(d_{n+1}\).

Ainsi, à partir d'un certain rang, les \(d_n\) forment une suite croissante (au sens large) d'entiers majorés par \(a_1\) : il existe \(\ell\) tel que \(d_n = d\) pour tout \(n \geq \ell\).

Enfin, pour \(n \geq \ell\), on a \(\gcd(a_1/d, a_{n+1}/d) = 1\) et \(\delta_n = d\) ; le fait (1) (avec \(a = a_1/d\), \(b = a_n/d\), \(c = a_{n+1}/d\)) montre que \(a_{n+1}/d\) divise \(a_n/d\), donc \(a_n \geq a_{n+1}\) pour tout \(n \geq \ell\). Une suite décroissante d'entiers positifs est stationnaire, d'où la conclusion. \(\blacksquare\)

Solution 2

On garde la notation \(s_n\). Cette fois, on étudie les exposants des nombres premiers dans la décomposition des \(a_n\) pour \(n \geq k\).

Pour tout \(n \geq k\), le nombre

\[s_{n+1} - s_n = \frac{a_n}{a_{n+1}} + \frac{a_{n+1}}{a_1} - \frac{a_n}{a_1} \tag{$*$}\]

est entier. En le multipliant par \(a_1\), on voit que \(a_1 a_n / a_{n+1}\) est entier, donc \(a_{n+1} \mid a_1 a_n\). Par suite \(a_n \mid a_1^{n-k} a_k\), donc tous les diviseurs premiers de \(a_n\) sont parmi ceux de \(a_1 a_k\). Ces premiers sont en nombre fini ; il suffit donc de montrer que l'exposant de chacun d'eux dans \(a_n\) est constant à partir d'un certain rang.

Soit \(p\) un premier divisant \(a_1 a_k\). On note \(v_p(q)\) l'exposant de \(p\) dans la décomposition d'un rationnel non nul \(q\) (valuation \(p\)-adique). Un indice \(n \geq k\) est dit grand si \(v_p(a_n) \geq v_p(a_1)\).

Cas 1 : il existe un indice grand \(n\). Si \(v_p(a_{n+1}) < v_p(a_1)\), alors \(v_p(a_n/a_{n+1})\) et \(v_p(a_n/a_1)\) sont positifs ou nuls, tandis que \(v_p(a_{n+1}/a_1) < 0\) ; donc \((*)\) n'est pas entier, contradiction. L'indice \(n + 1\) est donc grand aussi. D'autre part, si \(v_p(a_{n+1}) > v_p(a_n)\), alors \(v_p(a_n/a_{n+1}) < 0\) tandis que \(v_p\big((a_{n+1} - a_n)/a_1\big) \geq 0\), et \((*)\) n'est pas entier non plus. Ainsi \(v_p(a_1) \leq v_p(a_{n+1}) \leq v_p(a_n)\).

On applique ces arguments successivement aux indices \(n + 1, n + 2, \ldots\) : tous les indices supérieurs à \(n\) sont grands, et la suite \(v_p(a_n), v_p(a_{n+1}), v_p(a_{n+2}), \ldots\) est décroissante (au sens large), donc stationnaire.

Cas 2 : aucun indice n'est grand. On a \(v_p(a_1) > v_p(a_n)\) pour tout \(n \geq k\). Si l'on avait \(v_p(a_{n+1}) < v_p(a_n)\) pour un certain \(n \geq k\), alors

\[v_p(a_{n+1}/a_1) < v_p(a_n/a_1) < 0 < v_p(a_n/a_{n+1}),\]

et \((*)\) ne serait pas entier. Donc la suite \(v_p(a_k), v_p(a_{k+1}), v_p(a_{k+2}), \ldots\) est croissante (au sens large) et majorée par \(v_p(a_1)\) ; elle est donc stationnaire. \(\blacksquare\)

Remarques

Remarque. Pour tout entier impair \(m > 0\), le \(m\)-uplet \((2, 2^2, \ldots, 2^{m-1}, 2^m)\) suivi d'une infinité de \(1\) donne une suite stationnaire vérifiant la condition de l'énoncé : le rang de stabilisation peut donc être arbitrairement grand.

Il existe des exemples plus élaborés. La solution de la partie (b) du problème 10532 de l'American Mathematical Monthly (vol. 105, n° 8, octobre 1998, p. 775–777) montre que, pour tout entier \(m \geq 5\), il existe un \(m\)-uplet \((a_1, \ldots, a_m)\) d'entiers positifs distincts avec \(\gcd(a_1, a_2) = \gcd(a_2, a_3) = \cdots = \gcd(a_{m-1}, a_m) = \gcd(a_m, a_1) = 1\) et \(\frac{a_1}{a_2} + \cdots + \frac{a_{m-1}}{a_m} + \frac{a_m}{a_1}\) entier. En posant \(a_{m+k} = a_1\) pour \(k \geq 1\), on obtient une suite stationnaire vérifiant la condition. Exemple des auteurs : \(b_1 = 2\), \(b_{k+1} = 1 + b_1 \cdots b_k = 1 + b_k(b_k - 1)\), \(B_m = b_1 \cdots b_{m-4} = b_{m-3} - 1\), et

\[a_1 = 1,\quad a_2 = (8B_m + 1)B_m + 8,\quad a_3 = 8B_m + 1,\quad a_k = b_{m-k} \ (4 \leq k \leq m - 1),\]
\[a_m = \frac{a_2}{2} \cdot a_3 \cdot \frac{B_m}{2} = \left(\frac{1}{2}(8B_m + 1)B_m + 4\right) \cdot (8B_m + 1) \cdot \frac{B_m}{2}.\]

On vérifie que \(a_1 < a_{m-1} < a_{m-2} < \cdots < a_3 < a_2 < a_m\). Connaître cet exemple n'aide en rien à résoudre le problème.