Đa thức chia đường tròn và dạng yếu của định lí Dirichlet


Trong bài này, qua các bài toán tôi sẽ giới thiệu các tính chất của các đa thức chia đường tròn, từ các tính chất đó tôi giới thiệu dạng yếu của định lí Dirichlet. Phần cuối của bài viết là một số bài toán thi chọn học sinh giỏi liên quan. Bạn đọc có thể xem thêm về định lí Dirichlet tại https://nttuan.org/2016/02/11/topic-746/.

Định nghĩa. Cho số nguyên dương n. Đa thức chia đường tròn thứ n, ký hiệu \Phi_n, là đa thức monic có các nghiệm là các căn nguyên thủy bậc n của đơn vị, nghĩa là \displaystyle \Phi_n(x)=\prod_{\omega_n\in U_n}(x-\omega_n), ở đây U_n là tập tất cả các căn nguyên thủy bậc n của đơn vị.

|U_n|=\varphi (n)\,\,\forall n\geq 1 nên \deg\Phi_n=\varphi (n)\,\,\forall n\geq 1.

Ví dụ. 10 đa thức chia đường tròn đầu tiên là

\Phi_1(x)=x-1,\,\, \Phi_2(x)=x+1,\,\, \Phi_3(x)=x^2+x+1,\,\, \Phi_4(x)=x^2+1,

\Phi_5(x)=x^4+x^3+x^2+x+1,\,\, \Phi_6(x)=x^2-x+1,\,\,\Phi_7(x)=x^6+x^5+x^4+x^3+x^2+x+1,

\Phi_8(x)=x^4+1,\,\, \Phi_9(x)=x^6+x^3+1,\,\,\Phi_{10}(x)=x^4-x^3+x^2-x+1.

Bài 1. Chứng minh rằng với mỗi số nguyên dương n ta có \displaystyle x^n-1=\prod_{d|n}\Phi_d(x). Từ đó suy ra \displaystyle n=\sum_{d|n}\varphi (d).

Bài 2. Chứng minh \Phi_n(x)\in\mathbb{Z}[x]\,\,\forall n\geq 1.

Bài 3. Chứng minh rằng nếu an là các số nguyên dương nguyên tố cùng nhau thì \Phi_n(x^a)=\prod_{d|a}\Phi_{nd}(x).

Bài 4. Cho số nguyên dương n và số nguyên tố p. Chứng minh rằng

\displaystyle \Phi_{pn}(x)=\begin{cases}\Phi_n(x^p),\quad p|n\\ \frac{\Phi_n(x^p)}{\Phi_n(x)},\quad p\not|n.\end{cases}

Bài 5. Cho số nguyên dương n, d<n là một ước dương của n, và a là một số nguyên. Giả sử p là một ước nguyên tố chung của \Phi_n(a)\Phi_d(a). Chứng minh rằng p|n.

Bài 6. Cho mn là các số nguyên dương. Giả sử rằng tồn tại số nguyên a sao cho \gcd (\Phi_m(a),\Phi_n(a))>1. Chứng minh rằng \dfrac{m}{n} là lũy thừa nguyên của một số nguyên tố.

Bài 7. Cho số nguyên dương n và số nguyên a. Chứng minh rằng mỗi ước nguyên tố p của \Phi_n(a) phải thỏa mãn p|n hoặc p\equiv 1\pmod{n}.

Bài 8. (Dạng yếu của định lý Dirichlet) Cho số nguyên dương n. Chứng minh rằng có vô hạn số nguyên tố p thỏa mãn p\equiv 1\pmod{n}. Continue reading “Đa thức chia đường tròn và dạng yếu của định lí Dirichlet”

Ước nguyên tố của đa thức


Ta nói số nguyên tố p là một ước nguyên tố của đa thức f(x)\in\mathbb{Z}[x] nếu tồn tại số nguyên n sao cho p|f(n). Với mỗi đa thức f(x)\in\mathbb{Z}[x], ta ký hiệu tập các ước nguyên tố của nó là P(f). Continue reading “Ước nguyên tố của đa thức”

VMO training 2016 – Part 1


Trong topic này và các topic sau, tôi sẽ giới thiệu một số bài toán được dùng cho đợt luyện VMO vừa rồi.

Bài 1. Cho số nguyên tố p và số nguyên dương n thỏa mãn n\geq p. Chứng minh rằng C_n^p-\left[\dfrac{n}{p}\right] chia hết cho p.

Bài 2. Xét hai số nguyên dương m,n>1 thỏa mãn \gcd (m,n)=1, n lẻ, m chẵn. Chứng minh rằng tổng \displaystyle \frac{1}{2n}+\sum_{k=1}^{n-1}(-1)^{\left[\frac{mk}{n}\right]}\left\{\frac{mk}{n}\right\} không phụ thuộc vào mn.

Bài 3. Cho số nguyên dương n2n số thực
x_1,x_2,\cdots,x_n;\,\,\,y_1,y_2,\cdots,y_n thỏa mãn
x_1\leq x_2\leq\cdots\leq x_n;\,\,y_1\geq y_2\geq\cdots\geq y_n;\,\,\,\sum_{i=1}^n ix_i=\sum_{i=1}^niy_i. Chứng minh rằng với mỗi số thực \alpha ta có \displaystyle \sum_{i=1}^n [i\alpha]x_i\geq\sum_{i=1}^n[i\alpha]y_i.

Continue reading “VMO training 2016 – Part 1”

China National Olympiad 2010


1. Các đường tròn \Gamma_1\Gamma_2 cắt nhau tại hai điểm AB. Một đường thẳng qua B cắt \Gamma_1\Gamma_2 tại các điểm C and D tương ứng. Đường thẳng qua B khác cắt \Gamma_1\Gamma_2 tại các điểm E and F tương ứng. Đường thẳng CF cắt \Gamma_1\Gamma_2 tại các điểm P and Q tương ứng. Cho MN là trung điểm của các cung nhỏ \widehat{PB}\widehat{QB}. Chứng minh rằng nếu CD=EF, thì C, F, M, N đồng viên.

2. Cho k \ge 3 là một số nguyên. Dãy \{ a_n \} được xác định như sau: a_{k}=2k, và với mỗi n > k, a_{n}=a_{n-1}+1, nếu (a_{n -1},n)=1;a_{n}=2n, nếu (a_{n-1},n) > 1. Chứng minh rằng dãy \{ a_n-a_{n-1} \} chứa vô hạn số nguyên tố.

3. a,bc là các số phức thoả mãn với mỗi số phức z, nếu |z| \le 1, thì |az^2+bz+c| \le 1. Tìm giá trị lớn nhất của |bc|.

4. mn là các số nguyên cho trước lớn hơn 1. {a_1} < {a_2} < \cdots < {a_m} là các số nguyên cho trước. Chứng minh rằng tồn tại một tập con của \mathbb Z ký hiệu bởi T, sao cho |T| \le 1+\dfrac {a_{m}-a_1}{2n+1} và với mỗi i \in \{ 1,2,...,m \}, tồn tại t\in Ts\in [-n,n] thoả mãn a_{i}=t+s.

5. Ta có thể di chuyển các tấm thẻ tại các điểm A_1, A_2, \cdots ,A_n và điểm O. Một bước di chuyển có thể thực hiện như sau:

(1) Nếu có ít nhất 3 tấm thẻ tại điểm A_i (1 \le i \le n), thì lấy 3 tấm thẻ từ A_i và đặt chúng vào các điểm A_{i-1}, A_{i+1}O, tương ứng. (A_0=A_n, A_{n+1}=A_1)

(2) Nếu có ít nhất n tấm thể tại O, thì lấy n tấm thẻ từ điểm O và đặt chúng vào các điểm A_1, A_2, \cdots ,A_n, tương ứng.

Chứng minh rằng nếu có không ít hơn n^2+3n+1 tấm thể trên toàn bộ n+1 điểm, thì ta có thể thực hiện một số hữu hạn các di chuyển trên để có không ít hơn n+1 tấm thẻ tại mỗi điểm.

6. Cho a_1,a_2,a_3,b_1,b_2,b_3 là các số nguyên dương đôi một khác nhau sao cho với mỗi số nguyên dương n,

(n+ 1)a_{1}^{n}+{n}a_{2}^{n}+(n-1)a_{3}^{n} | (n+1)b_{1}^{n}+{n}b_{2}^{n}+(n-1)b_{3}^{n}.

Chứng minh rằng có số nguyên dương k sao cho b_i =k{a_i} với i=1,2,3.