Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/ArithmeticUnreviewed

Une équation pas comme les autres

by FiniteField·
30
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  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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Français

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Pour n⩾2n\geqslant 2, on pose f(n)=∏d∈⟦1,n−1⟧d∣nd.f(n)=\displaystyle\prod_{\substack{d\in\llbracket 1,n-1\rrbracket\\d\mid n}} d. Résoudre l’équation f(n)=n.f(n)=n.

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  1. Oral Mines-Ponts filière MP 2025 (RMS 136-1 458)
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Solution by FiniteField

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La résolution de cette équation à la main pour des petites valeurs de nn nous permet de constater que les seuls entiers nn de 22 à 2020 pour lesquels l’équation est vérifiée sont {6,8,10,14,15}\left\{6,8,10,14,15\right\}. Tous sont de la forme pqpq avec pp et qq deux nombres premiers distincts à l’exception de 88 de la forme p3p^3. On vérifie aussi que l’équation est vérifiée pour 27=33.27=3^3. Ceci nous invite à formuler la conjecture suivante :
f(n)=n⇔∃p,q premiers tels que n=pq ou n=p3.f(n)=n\Leftrightarrow \exists p,q\text{ premiers tels que }n=pq\text{ ou }n=p^3.Pour le prouver on va distinguer discuter du nombre de facteurs premiers qui divisent n.n.

  • Si nn possède plus de 33 facteurs premiers distincts. Dans ce cas on peut écrire n=pαqβdn=p^\alpha q^\beta d avec p,qp,q premiers distincts, α,β∈N∗\alpha,\beta\in\mathbb{N}^* et d>1d>1 non divisible par pp ou par q.q. Dans ce cas pα×pαq=p2αqp^\alpha\times p^\alpha q=p^{2\alpha}q divise f(n)f(n) car pαp^\alpha et pαqp^\alpha q sont des diviseurs stricts de n.n. Mais alors p2α∣f(n)p^{2\alpha}\mid f(n) alors que p2α∤np^{2\alpha}\nmid n par définition de α=max⁡{k∈N∣pk∣n}<2α.\alpha=\max\left\{k\in\mathbb{N}\mid p^k\mid n\right\}<2\alpha. Donc f(n)≠n.f(n)\neq n.
  • Si nn possède exactement deux diviseurs premiers. On écrit alors n=pαqβn=p^\alpha q^\beta. Si α>1\alpha>1 alors pp et pαp^\alpha sont deux diviseurs stricts de nn donc p×pα=pα+1∣f(n)p\times p^\alpha=p^{\alpha+1}\mid f(n) et on conclut de la même manière que dans le cas précédent. On est donc contraint dans ce cas à avoir α=β=1.\alpha=\beta=1. Dans ce cas la liste des diviseurs de nn est {1,p,q,pq}\left\{1,p,q,pq\right\} si bien que f(n)=1×p×q=n.f(n)=1\times p\times q=n. Notre conjecture est donc vérifiée dans ce cas là.
  • Si nn possède un diviseur premier. On écrit n=pαn=p^\alpha. Les diviseurs de nn sont alors {1,p,…,pα−1,n}\left\{1,p,\dots,p^{\alpha-1},n\right\}. Donc
    f(n)=∏k=0α−1pk=p∑k=0α−1k=pα(α−1)2.f(n)=\prod_{k=0}^{\alpha-1}p^k=p^{\sum\limits_{k=0}^{\alpha-1}k}=p^{\frac{\alpha(\alpha-1)}{2}}.

On a alors f(n)=nf(n)=n si et seulement si α=α(α−1)2⇔α(α−3)=0\alpha=\dfrac{\alpha(\alpha-1)}{2}\Leftrightarrow\alpha(\alpha-3)=0 donc α=0\alpha=0 ou α=3\alpha=3. On trouve bien α=3\alpha=3 si bien que n=p3n=p^3.

On a donc bien prouvé la conjecture énoncée au début de l’exercice.

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