Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une équation avec des factorielles.

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Solution by Venus2 · FR

n=1n=1, on vérifie qu’il n’y a pas de solution. Supposons désormais l’existence d’ue. solution avec n≥2n\ge 2. Alors dans Z/nZ\Z/n\Z, comme −(n−1)!=1-(n-1)!=1 tous les deux éléments non nuls de Z/nZ\Z/n\Z possèdent un inverse et donc nn est premier (on peut aussi invoquer la réciproque du théorème de Wilson). Désormais notons p:=np:=n un nombre premier tel qu’il existe un couple (p,m)(p,m) solution du problème.

:::cas p=2p=2
L’équation donne 1+1=2m1+1=2^{m} et donc l’unique solution dans ce cas est le couple (2,1)(2,1).
:::cas p=3
L’équation donne 2+1=3m2+1=3^m et donc l’unique couple solution est (3,1)(3,1)

:::soit (p,m)(p,m) un couple solution avec p>3p>3 premier. On a
pm−1=(p−1)(1+p+p2+...+pm−1)p^{m}-1=(p-1)(1+p+p^{2}+...+p^{m-1}) d’où (p−2)!=(1+p+....+pm−1)(p-2)!=(1+p+....+p^{m-1}) et donc dans Z/(p−1)Z\Z/(p-1)\Z, on a (p−2)!=m(p-2)!=m (on peut réduire modulo p−1p-1 car p−1≥2p-1\ge 2
Comme p>3p>3, p−1p-1 n’est pas un nombre premier, donc possède une factorisation non triviale p−1=abp-1=ab, on a a≤p−2a\le p-2 et b≤p−2b\le p-2
Si aa est distinct de bb alors p−1=abp-1=ab divise (p−2)!(p-2)! et donc m=0m=0 modulo p−1p-1 c’est-à-dire p−1∣mp-1|m.
Si a=ba=b, alors si aa et 2a2a sont deux entiers (nécessairement distincts) inférieurs ou égaux à p−2p-2 alors p−1=a2∣a.2a∣(p−2)!p-1=a^{2}|a.2a|(p-2)! et donc p−1∣mp-1|m. Pour que ceci soit vrai, il suffit que 2a≤p−22a\le p-2 ie en mettant au carré que 4(p−1)≤(p−2)24(p-1)\le (p-2)^{2} soit p≥7p\ge 7.
Ainsi on a prouvé que si p≥7p\ge 7, alors p−1∣mp-1|m. En particulier p−1≤mp-1\le m d’où pp−1≤pm=(p−1)!+1p^{p-1}\le p^m=(p-1)!+1. Mais (p−1)!≤(p−1)p−1(p-1)!\le (p-1)^{p-1}. Par ailleurs par stricte monotonie pp−1>(p−1)p−1p^{p-1}>(p-1)^{p-1} et comme les deux termes dans cette inégalité sont entiers, on en déduit pp−1≥(p−1)p−1+1p^{p-1}\ge (p-1)^{p-1}+1. Par double inégalité on a alors pp−1=(p−1)p−1+1p^{p-1}=(p-1)^{p-1}+1. Mais alors l’inégalité qu’on a utilisée (p−1)!≤(p−1)p−1(p-1)!\le (p-1)^{p-1} était une égalité et donc p−1=1p-1=1 ce qui est exclu. Conclusion partielle : si p≥7p\ge 7 est premier il n’existe pas de solution.

::: le seul cas qui reste à traiter est le cas p=5p=5
L’équation donne 4!+1=5^m et donc l’unique couple solution est (5,2)(5,2).

::: Conclusion : les couples (n,m)(n,m) solutions sont (2,1),(3,1),(5,2)(2,1), (3,1), (5,2).

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