Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Entiers comme sommes consécutives

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Solution by Étienne86 · FR

Par décomposition en produit de facteurs premiers, tout entier strictement positif s’écrit n=2jn=2^{j}\ell avec jNj\in\N et \ell impair.
Ainsi, on peut écrire nNn\in\N^{*} sous la forme n=2j(2k+1)n=2^{j}(2k+1) avec kNk\in\N.

  1. Dans le premier cas, on suppose k0k\neq 0. Ainsi, on considère les entiers qui ont un facteur impair.
    On écrit n=m(2k+1)n=m(2k+1) avec mm une puissance de 22 et kNk\in\N^{*}. On a
    n=(mk)+(mk+1)++(m1)+m+(m+1)++(m+k1)+(m+k)n = (m-k)+(m-k+1)+\cdots+(m-1)+m+(m+1)+\cdots+(m+k-1)+(m+k)donc on a écrit nn comme somme d’entiers relatifs consécutifs. Il se peut que certains termes de cette écriture soient des entiers négatifs, mais ils sont tous compensés par leur opposé, qui apparaît nécessairement dans la somme, puisque nn est positif !
    Reste à voir pourquoi il y a là au moins deux entiers strictement positifs consécutifs. Mais m1m\geqslant 1 comme puissance de 22, et k1k\geqslant 1 par hypothèse, donc m+k11m+k-1\geqslant 1. Donc on a bien écrit les entiers de cette forme comme somme d’au moins 22 entiers consécutifs.

  2. Dans ce second cas, on suppose k=0k=0, donc on considère les entiers qui s’écrivent sous la forme n=2jn=2^{j} avec jNj\in\N. Nous allons montrer qu’il n’est pas possible d’écrire nn sous la forme demandée, en procédant par l’absurde.
    Supposons qu’il existe deux entiers aa et bb tels que 0<a<b<n0<a<b<n, vérifiant n=a+(a+1)++bn=a+(a+1)+\cdots +b. Notons qu’on a pris a<ba<b pour avoir au moins deux entiers consécutifs, et b<nb<n car si b=nb=n, on ne peut pas ajouter un deuxième entier positif pour sommer à nn. Bref,
    n=(k=0bk)(k=0a1k)=b(b+1)2a(a1)2n=\left(\sum_{k=0}^{b}k\right)-\left(\sum_{k=0}^{a-1}k\right)=\frac{b(b+1)}{2}-\frac{a(a-1)}{2} donc 2j+1=2n=b(b+1)a(a1)=b2+ba2+a=(ba)(b+a)+b+a=(b+a)(ba+1)2^{j+1}=2n=b(b+1)-a(a-1)=b^{2}+b-a^{2}+a=(b-a)(b+a)+b+a=(b+a)(b-a+1).
    Comme j+1Nj+1\in\N^{*}, b+ab+a et ba+1b-a+1 sont deux puissances de 22, avec b+a1b+a\neq 1 car 0<a<b0<a<b, et ba+11b-a+1\neq 1 car bab\neq a. Ainsi, b+a(ba+1)b+a - (b-a+1) est pair comme différence de deux puissances de 22 différentes de 11. Or b+a(ba+1)=2a1b+a-(b-a+1)=2a-1 est impair. D’où la contradiction.

Finalement, les seuls entiers qui ne s’écrivent pas sous la forme demandée sont les puissances de 22

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