Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/ArithmeticUnreviewed

The pp-adic valuation of Hp1H_{p-1}

by budleya·translated by visitor·
44
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. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Let p>3p>3 be a prime number and let (a,b)(N)2(a,b)\in(\mathbb{N}^*)^2 such that

k=1p11k=ab.\sum_{k=1}^{p-1}\frac{1}{k}=\frac{a}{b}.

Show that p2ap^{2}\mid a.

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Solution by Venus2FR

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on pose S:=k=1p11/kS:=\sum_{k=1}^{p-1} 1/k.
Toutes les sommes ci-dessous sont indexées sur {1;2;...;p1}\{1;2;...;p-1\}
On a2S(p1)!:=(p1)![1/k+1/(pk)]=p(p1)!k(pk)=:pA(1)2S(p-1)!:=(p-1)!\sum [1/k+1/(p-k)]=p\sum\limits \frac{(p-1)!}{k(p-k)}=:pA (1)
AA est un entier (car comme pp est impair, kk est distinct de pkp-k, donc ces deux entiers distincts strictement inférieurs à p1p-1, donc leur produit divise (p1)!(p-1)! et ainsi AA est une somme d’entiers) on a dans Z/pZ\Z/p\Z, A=(p1)!/k2A=-\sum\limits (p-1)!/k^{2} et comme la fonction xx donne 1/x1/x est une involution sur Z/pZ\Z/p\Z^{*}, les 1/k21/k^2 sont exactement les k2k^{2} et A=(p1)!k2A=-(p-1)!\sum k^2

Dans Z\Z, on a k2=(p1)p(2p1)6\sum\limits k^{2}=\frac{(p-1)p(2p-1)}{6} et comme p>3p>3, 66 est inversible dans Z/pZ\Z/p\Z, on a dans Z/pZ\Z/p\Z, A=0A=0 et donc dans Z\Z, pAp|A donc p2pAp^{2}|pA (2).

D’après (1) on a 2bpA=2Sb(p1)!=2a(p1)!2bpA=2Sb(p-1)!=2a(p-1)!$ et d’après (2), p22a(p1)!p^{2}|2a(p-1)!
Comme pp est premier avec 22 et (p1)!(p-1)! on en déduit que p2ap^{2}|a.

Solution by budleyaFR

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On pose k=1p11k=S.\displaystyle \sum_{k=1}^{p-1}\frac{1}{k}=S.
Par l’astuce du petit Gauss, 2S=k=1p1pk(pk)2S=\displaystyle \sum_{k=1}^{p-1}\frac{p}{k(p-k)} donc 2S/p=k=1p11k(pk)2S/p=\displaystyle \sum_{k=1}^{p-1}\frac{1}{k(p-k)}, rationnel dont pp ne divise pas le dénominateur réduit.

En calculant modulo pp, 2S/p=k=1p11k22S/p=\displaystyle - \sum_{k=1}^{p-1}\frac{1}{k^2} et comme x1/xx\mapsto 1/x est une involution sur les carrés modulo pp,
2S/p=k=1p1k2=p(p1)(2p1)/6modp2S/p=\displaystyle - \sum_{k=1}^{p-1}{k^2}=-p(p-1)(2p-1)/6\mod pet comme p>3p>3, il ne divise pas le dénominateur et 2S/p22S/p^2 est un rationnel dont pp ne divise pas le dénominateur, cqfd.

Remarque : avec p=3p=3, S=3/2S=3/2 et p2p^{2} ne divise pas aa.

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