Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/ArithmeticExerciseUnreviewed

pp-adic valuation of a sum

by darktoaster·
33
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Let nn et mm be two positive integers and pp be a prime number. Show the following properties of the pp-adic valuation :

  1. vp(n+m)⩾min⁡(vp(n),vp(m))v_p(n+m)\geqslant \min(v_p(n),v_p(m)).
  2. vp(n+m)=min⁡(vp(n),vp(m))v_p(n+m)=\min(v_p(n),v_p(m)) if vp(n)≠vp(m)v_p(n)\neq v_p(m).
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Solutions

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Solution by darktoasterFR

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Question 1

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n+m=∏q premierqvq(n)+∏q premierqvq(m)n + m = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n)} + \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m)}

On factorise dans la somme par la plus grande puissance de pp possible comme facteur commun. L’exposant de cette puissance est α=min⁡(vp(m),vp(n))\alpha = \min(v_{p}(m), v_{p}(n)) :

n+m=pα⋅(∏q premierqvq(n)−α+∏q premierqvq(m)−α)⏟Kn + m = p^{\alpha} \cdot \underset{K}{\underbrace{ \left(\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n) - \alpha} + \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m) - \alpha}\right)}}

Cette factorisation est bien possible car α⩽vq(n)\alpha \leqslant v_{q}(n) et α⩽vq(m)\alpha \leqslant v_{q}(m) pour tout qq premier par définition de α\alpha comme minimum de ces deux quantités, ce qui assure la positivité des exposants et donc le fait que KK soit un entier.

Voici un exemple de factorisation :
80+24=24⋅5+23⋅3=23⋅(2⋅5+3)80 + 24 = 2^{4} \cdot 5 + 2^{3} \cdot 3 = 2^{3} \cdot (2 \cdot 5 + 3) , α⏟3=min⁡(v2(80)⏟4,v2(24)⏟3)\underset{3}{\underbrace{\alpha}} = \min(\underset{4}{\underbrace{v_{2}(80)}},\underset{3}{\underbrace{v_{2}(24)}})

On écrit la factorisation première de KK :
n+m=pα∏q premierqvq(K)n+ m = p^{\alpha} \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(K)}
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puis on met en évidence le facteur pp :
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n+m=pα+vp(K)∏q premierq≠pqvq(K)n + m = p^{\alpha + v_{p}(K)} \prod\limits_{\scriptsize{\begin{matrix}q \text{ premier} \\ q \ne p\end{matrix}}} q^{v_{q}(K)}
\newline
Ainsi : vp(n+m)=α+vp(K)v_{p}(n+m) = \alpha + v_{p}(K)
Comme vp(K)∈Nv_{p}(K) \in \N, alors on a l’inégalité : vp(n+m)⩾α=min⁡(vp(m),vp(n))v_{p}(n + m) \geqslant \alpha = \min(v_{p}(m),v_{p}(n))
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Question 2

Par définition de α=min⁡(vp(m),vp(n))\alpha = \min(v_{p}(m),v_{p}(n)) comme minimum, on a α=vp(n)\alpha = v_{p}(n) ou α=vp(m)\alpha = v_{p}(m)
De plus, par hypothèse vp(n)≠vp(m)v_{p}(n) \ne v_{p}(m),
on en déduit que parmi les entiers naturels vp(n)−αv_{p}(n) - \alpha et vp(m)−αv_{p}(m) - \alpha , l’un est non-nul, l’autre si
Autrement dit parmi les entiers ∏q premierqvq(n)−α\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n) - \alpha} et ∏q premierqvq(m)−α\prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m) - \alpha} , l’un est divisible par pp, l’autre non
Donc la somme K=∏q premierqvq(n)−α+∏q premierqvq(m)−αK = \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(n) - \alpha} + \prod\limits_{q \text{ premier}} q^{v_{q}(m) - \alpha} est non-divisible par pp , autrement dit vp(K)=0v_{p}(K) = 0
Donc n+m=pα+vp(K)∏q premierq≠pqvq(K)=pα∏q premierq≠pqvq(K)n + m = p^{\alpha + v_{p}(K)} \prod\limits_{\scriptsize{\begin{matrix}q \text{ premier} \\ q \ne p\end{matrix}}} q^{v_{q}(K)} = p^{\alpha } \prod\limits_{\scriptsize{\begin{matrix}q \text{ premier} \\ q \ne p\end{matrix}}} q^{v_{q}(K)}
Ainsi vp(n+m)=α=min⁡(vp(n),vp(m))v_{p}(n+m) = \alpha = \min(v_{p}(n),v_{p}(m))

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