Фестиваль исследовательских
и творческих работ учащихся
«ПОРТФОЛИО»
2006/2007 учебный год
Задачи на делимость
Автор:
Полищук Ксения Вячеславовна,
10-Б класс, МОУ СОШ № 266
Научный руководитель:
Демина Антонина Васильевна,
учитель математики
МОУ СОШ № 266
Снежногорск
2006/2007
Содержание:
1. Введение.
2. Основная часть
2.1. Анализ задач из школьных учебников, заданий ЕГЭ, конкурсных заданий со вступительных экзаменов в ВУЗы по математике.
2.2. Методы решения задач на делимость
а) Разложение на множители (слагаемые)
б) Исключение целой части числа
в) Равноостаточные классы
г) Применение теоремы Безу
д) Четность и нечетность чисел
е) Квадрат натурального числа
ж) Бином Ньютона
з) Малая теорема Ферма
и) Последняя цифра числа.
3. Заключение.
4. Список литературы.
5. Приложения.
Цель:
Расширение и углубление теоретического материала, изученного на уроках математики, а также развитие умений применять полученные знания к решению нестандартных задач, формированию определенной культуры работы над задачей.
Задачи:
1. Исследовать значимость задач на делимость в школьном курсе математики и для довузовской подготовки.
2. Провести анализ различных способов решения задач на делимость.
3. Подготовиться к единому государственному экзамену по математике.
4. Пропагандировать необходимость изучения данной темы в школьном курсе математики.
Аннотация
Данная работа посвящена изучению методов решения задач на делимость различного уровня сложности. Задачи классифицированы по методам их решения, каждый метод изложен в отдельной главе. Суть метода поясняется на примере конкретных упражнений, дается теоретическое обоснование метода, подобраны упражнения различного уровня сложности.
Разработка данной темы позволяет традиционные задачи решать нестандартными и оригинальными способами.
Эту работу можно использовать в качестве элективного курса по математике, а также при подготовке к олимпиадам по математике и при подготовке к вступительным экзаменам в ВУЗы.
« Математика похожа на многогранный
кристалл, каждая из граней которого несет
свои возможности подлинного
серьезного познания».
(П. Александров)
При подготовке к математической олимпиаде мне было предложено самостоятельно поискать задачи на делимость, но как я ни старалась, ни в одном учебнике такой темы не нашла. Я точно знала, что такие задачи есть, т.к. и на факультативных занятиях и на уроках мы иногда решали задачи, связанные с делимостью чисел. Когда же я спросила у учителя, в каком из учебников можно найти этот раздел, то узнала, что такие задачи, как бусинки рассыпаны по всем учебникам и в дополнительной литературе, и что моя задача эти бусинки нанизать на одну ниточку и получить бусы. Я просмотрела учебники математики и алгебры с 6 по 11 классы и выбрала из них задачи данной тематики. С помощью учителя провела анализ заданий со вступительных экзаменов в Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербургскую академию аэрокосмического приборостроения, Мурманский государственный технический университет, а также вариантов тестов ЕГЭ по математике. Таким образом, я нашла много задач на делимость. Я поняла, что эта тема актуальна для меня, поэтому решила в этом учебном году изучить ее подробно.
Вопросами делимости чисел люди интересовались уже очень и очень давно. Благодаря многолетнему труду математиков над проблемами делимости чисел были разгаданы многие ее тайны, но и сейчас в этом разделе математики есть еще много неясного.
Некоторые признаки делимости натуральных чисел нам известны уже с 6 класса, например, признаки делимости на 2, на 3, на 5, на 9, на 10.
Мы знаем теоремы:
1. Если каждое слагаемое суммы делится на одно и то же число, то и сумма делится на это число.
2. Если уменьшаемое и вычитаемое делятся на одно и то же число, то и разность делится на это число.
3. Если в произведении нескольких натуральных чисел хотя бы один из сомножителей делится на какое-то число, то и все произведение делится на это число.
4. Если некоторое целое число делится на другое, а это другое – на третье, то и первое число делится на третье.
Основываясь на известных нам признаках делимости и теоремах 1-4, можно сформулировать и признаки делимости на 4, на 6, на 8, на 15 и другие. В дополнительной литературе я отыскала признаки делимости на 7, 11, 13, 17, 19, 31, 37. Но для решения очень многих задач на делимость этого оказалось недостаточно. Просматривая учебники математики разных авторов, я собрала достаточно большую коллекцию интересующих меня задач.
Задачи 6 класса
1. Найти натуральное наименьшее число, которое при делении на 2, 3, 4, 5 и 6 дает остаток 1 и, кроме того, делится нацело на 7.
2. Сумма двух чисел 177. При делении большего из них на меньшее в частном получится 3 и в остатке 9. Найти эти числа.
Задачи 7 класса
1. Какой цифрой оканчивается значение выражения:
а) 33
+43
+53
б) 313
+1013
+1813
в) 214
+344
+464
г) 155
+265
+395
2. В двузначном числе десятков втрое больше, чем единиц. Если от этого числа отнять число, но в обратном порядке, то получится 36. Найти число.
3. В двузначном числе десятков втрое больше, чем единиц. Если к этому числу прибавить число, записанное теми же цифрами, но в обратном порядке, то получится 132. Найти число.
4. Доказать, что при любом целом натуральном n разность (7n+1)2
-(2n-4)2
делится на 15.
5. Доказать, что если сумма трех последовательных натуральных чисел есть число нечетное, то их произведение делится на 24.
6. Доказать, что если сумма четырех натуральных чисел есть число нечетное, то их произведение число четное.
7. Доказать, что при любом целом n (7n-2)2
-(2n-7)2
делится на 5 и 9.
Задачи 8 класса
1.При делении двузначного числа на сумму его цифр в частном получается 6, а в остатке 4. При делении этого же числа на произведение его цифр в частном получится 2, а в остатке 16. Найти это число.
2. При каких целых n значение дроби является целым числом:
а) (5n2
+2n+3)/n
б) ((n-3)2
)/n
в) 3n/(n+2)
г) 7n/(n-4)
3. Какой цифрой оканчивается сумма 5435
+2821
– ?
4. Найти все пары натуральных чисел, удовлетворяющих уравнению x2
-y2
=69.
5. Доказать, что если из трехзначного числа вычесть трехзначное число, записанное теми же цифрами, что и первое, но в обратном порядке, то модуль полученной разности будет делиться на 9 и 11.
6. Если между цифрами двузначного числа х
вписать это же число, то полученное четырехзначное число будет в 66 раз больше первоначального двузначного. Найти х.
7. Доказать, что число 333555
+ 555333
делится на 37.
8. Доказать, что число 1111
+ 12 12
+13 13
делится на 10.
9. Какой цифрой оканчивается число 1982 1982
?
10. Сколькими нулями оканчивается число, полученное при перемножении всех чисел от 1 до 100?
11. Доказать, что число 10 15
+ 10 17
-74 делится на 9.
12.
Доказать, что число п 3
+ 11 п
делится на 6 при любом натуральном п.
13. Доказать, что число п 3
+3п 2
+5п+3
делится на 3 при любом натуральном п.
14. Доказать, что при любом целом п
число п 5
- п
делится на 30.
15. Доказать, что при любом целом п
число п 5
- 5п 3
+ 4п
делится на 120.
16. Найти пятизначное число, если известно, что при умножении этого числа на 9 получается пятизначное число, записанное теми же цифрами, но в обратном порядке.
17. Доказать, что разность между трехзначным числом и числом, записанным теми же цифрами, но в обратном порядке, не может равняться квадрату натурального числа.
18. Доказать, что если х
и у
- целые числа такие, что число 3х
+ 8у
делится на 17, то число
35х
+ 65у
также делится на 17.
19. Доказать, что сумма квадратов двух нечетных чисел не может быть квадратом целого числа.
20. Доказать, что сумма квадратов пяти последовательных целых чисел не является квадратом целого числа.
21. Доказать, что ни при каком целом п
число п 2
+ 5п
+ 16 не делится на 169.
22. Доказать, что если сумма квадратов двух целых чисел делится на 3, то и каждое из этих чисел делится на З.
23. Доказать, что ни одно из чисел вида n3
- 3, где п -
натуральное число, не делится на 7.
24. Доказать, что если р
- простое число, большее трех, то число р 2
- 1 делится на 24.
25. Найти все простые числа п
такие, что п 2
+ 8 – простое число.
26. Доказать, что если р
- простое число и р - не меньше 5, то остаток от деления числа р2
на 12 равен 1.
27. Доказать, что если п
- натуральное число и п>
1, то п 4
+4 - составное число.
28. Найти целые числа х и у,
удовлетворяющие уравнению х
+у
= ху
.
Задачи 9 класса
1. Доказать, что если натуральное число не делится на 3, то остаток от деления квадрата этого числа на 3 равен 1.
2. Доказать, что при любом натуральном п
число 3п
+ 2 не является квадратом целого числа.
3. Доказать, что:
1) число 1070
-361 делится на 27;
2) число 1080
- 298 делится на 99;
3) число 9150
-19 75
делится на 18;
4) число (75*94)26
+(39*56)25
делится на 19.
4. Доказать, что натуральное число делится на 9, если сумма цифр числа не меняется при умножении этого числа на 5.
5. Пусть т, п
- натуральные числа, и пусть число т
-1 делится на 3
n
.
Доказать, что число т3
- 1 делится на 3
n+1
.
6. Доказать, что не существует целых чисел х, у,
для которых справедливо равенство
х2
– у 2
= 1982.
7. Пусть т
и п
- взаимно простые натуральные числа. Доказать, что не существует натуральных чисел х
и у,
удовлетворяющих уравнению тх+пу=тп.
8. Доказать, что число 7п 2
+ 1 не делится на 3 ни при каком натуральном п.
9. Доказать, что не существует целых чисел х
и у,
удовлетворяющих уравнению
15х 2
= 9+ 7у 2
.
10. Доказать, что если т, п, k
- натуральные числа и число т
+ п
+ k
делится на 6, то число
т 3
+ п 3
+ k 3
также делится на 6.
11. Доказать, что если целые числа т
и п
не делятся на 5, то число т 4
– п 4
делится на 5.
12. Доказать, что для любых целых т
и п
число т 6
п 2
– п 6
т 2
делится на 30.
13. Доказать, что дробь (п+1)4
+ п 4
-1,
где п
- натуральное
2
число, можно представить в виде произведения двух натуральных чисел, разность которых равна двум.
14. Доказать, что ни при каких натуральных т
и п
не может быть верным равенство:
1) т (т+ 1)=п (п+2);
2) т 2
+ (т+ 1)2
= п 4
+ (п+
1)4
.
15. Доказать, что ни при каком натуральном п
сумма п
3
+ 6п 2
+ 15п+15
не делится на п+2.
16. Найти все натуральные п,
при которых число п 4
+ п 2
+ 1 является простым.
17. Найти все пары целых чисел х, у,
удовлетворяющих уравнению
х 2
= у 2
+2у+
13.
18. Найти четыре последовательных натуральных числа, произведение которых равно 5040.
Задачи со вступительных экзаменов в вузы
1. Найти натуральное наименьшее число, кратное 7 и при делении на 8 дающее в остатке 2.
2. Найти остаток от деления (n2
+1) на 3, если (n+2) делится на 3.
3. Натуральное число n при делении на 5 дает в остатке 4. Найти остаток от деления (n+2)2
на
4. При делении на 6 натуральные числа m и n дают остатки 2 и 3, каков остаток от деления на 6 числа (mn-2)?
5. Натуральное число n при делении на 12 дает в остатке 4. Найти остаток от деления n на 3.
6. При каком наименьшем натуральном k число 18k является кубом натурального числа.
7. При каком наименьшем натуральном k число 24k3
является квадратом натурального числа?
8. При каком наименьшем натуральном p число 42p
будет кратно 162?
9. Найти натуральные числа p и q, если НОД(648, 6p
*15q
)=108.
10. Сколько существует натуральных чисел п,
для которых число 3п
+ 5 является двузначным числом?
11. Сколько существует натуральных двузначных чисел пт,
для которых произведение цифр
п т
не превосходит 4?
12. Для скольких натуральных чисел п
число 3п/(п
+ 5) лежит в промежутке [1;3/2]?
13. При каких натуральных значениях п
число (п 2
+6)/( п
+2) является натуральным числом?
14. При каких натуральных значениях п
число 4 – 43
+ 4n
является квадратом натурального числа?
15. Для каких целых отрицательных чисел п
число n2
+ 7n +12 является простым числом?
16. Для скольких целых чисел п
число (16 - n2
) / 5 является натуральным числом?
17. Для скольких целых чисел п
число (9 - n2
) / (3 + n2
) является натуральным числом?
18. Сколько существует целых чисел,
для которых число 2 + 4 п +
n2
является натуральным числом, которое меньше 14?
19. Для скольких целых значений выражение (2п + 1)/ (п
-2) является целым числом?
20. Для каких целых значений параметра число ( n2
- п
+ 1) / ( п
+2) является целым?
21. Найти все пары натуральных чисел (п,
m)
являющихся решениями уравнения 2 n
– 2
m
=56.
22. Найти все натуральных числа Х, для которых наименьшее общее кратное чисел Х и Х+1 равно 3Х.
23. Найдите все пары натуральных чисел (п,
m),
таких что n +
m =77
, а их наименьшее общее кратное равно 110.
24. Сколько существует натуральных двузначных чисел п
, для которых дробь п / ( п
+ 10)
является несократимой?
25. Сколько существует двузначных четных чисел, которые при делении на 9 дают в
остатке 2?
26. Сколько существует двузначных четных чисел, которые не делятся на 5 без остатка?
27. Найдите все натуральных двузначные числа, которые делятся на число 5 без остатка, а при делении на число 17 дают остаток 1?
28. Найти сумму всех натуральных двузначных чисел, которые при делении на число 5 дают остаток 4?
29. Остаток от деления натурального числа Х на 19 равен 17. Найдите остаток от деления числа 2Х на 19.
30. Найдите остаток от деления числа N + 4M на 4, если натуральные числа N и M при делении на число 4 дают остатки 1 и 3 соответственно.
Во множестве отобранных задач на делимость было очень трудно разобраться, но затем удалось разбить их на группы, каждая из которых имела какой-то определенный метод решения. А некоторые задачи можно было решить и не одним способом.
Во многих из этих задач есть такой элемент, который делает их непохожими на известные задачи, и возможно, потребует для решения некоторой сообразительности, смекалки, творческого подхода.
Разложение на множители (или слагаемые)
Задача 1
Доказать, что при любом целом n число (7n-2)2
-(2n-7)2
делится на 5 и на 9.
Решение: (7n-2)2
-(2n-7)2
=(7n-2-2n+7)(7n-2+2n-9)=(5n+5)(9n-9)=5(n+1)·9(n-1) – кратно и 5, и 9.
Задача 2
Доказать, что число n3
+11n делится на 6 при любом натуральном n.
Решение: n3
+11n=n(n2
+11)=n(n2
-1+12)=n(n-1)(n+1)+12n, первое слагаемое это произведение трех последовательных натуральных чисел, среди которых одно обязательно делится на 3 и хотя бы одно делится на 2, значит, оно делится на 6. А второе слагаемое содержит множитель 12, кратный 6. Так как каждое слагаемое в этой сумме делится на 6, то и вся сумма делится на 6.
Задача 3
Доказать, что при всяком целом значении n, многочлен n5
-5n3
+4n делится на 120. Рассмотрим делитель. Число 120 можно представить в таком виде: 120=1*2*3*4*5, т.е. в виде произведения пяти последовательных целых чисел, начиная с единицы. В натуральном ряду чисел каждое второе делится на 2, каждое третье – на 3, каждое четвертое – на 4, каждое пятое – на 5 и т.д. Таким образом, если мы имеем произведение любых пяти последовательных целых чисел, то одно из них обязательно будет делиться на 2, одно – на 3, одно – на 4, одно – на 5, а все произведение будет делиться на 2*3*4*5, т.е. на 120.
Теперь вся задача будет сводиться к представлению нашего многочлена в виде произведения пяти последовательных чисел, что и выполняется следующим образом: n5
-5n3
+4n=n(n4
-5n2
+4)=n(n4
-n2
-4n2
+4)=n[(n2
-1)*n2
-(n2
-1)*4]=n(n2
-1)(n2
-4)=(n-2)(n-1)n(n+1)(n+2). Раз наш многочлен представляет собой произведение пяти последовательных чисел, то он делится на 120 при любом целом значении n.
Задача 4
Доказать, что если x и y – целые числа такие, что число 3x+8y делится на 17, то число 35x+65y также делится на 17.
Решение: Так как 3x+8y делится на 17, то (17x+17y)-(3x+8y)=14x+9y тоже делится на 17. Тогда 7(3x+8y)+14x+9y=21x+56y+14x+9y=35x+65y делится на 17.
Исключение целой части числа
В некоторых задачах решение легко находится, если применить исключение целой части числа. Особенно часто этот метод применяется, когда в целых числах решается одно уравнение с двумя переменными. Рассмотрим этот прием на нескольких задачах.
Задача 1
Найти все целые x и y, удовлетворяющие уравнению x+y=xy.
Решение: x+y=xy, <=> x-xy = -y,
x(1-y) = -y,
x = -y/(1-y)
x=y/(y-1)=(y-1+1)/(y-1)=1+(1/(y-1))
(1/(y-1)) є Z, если y-1=±1
y-1=1, y=2
y-1=-1, y=0
Если y=0, то x=0/(1-0)=0
Если y=2, то х=-2/(1-2)=2
Ответ: (0;0) и (2;2).
Задача 2
Для каких целых n число (n2
-n+1)/(n+2) является целым?
Решение: разделив числитель дроби на ее знаменатель, выделим целую часть у данной дроби (n2
-n+1)/(n+2)=(n-1)+1/(n+2) – число будет целым тогда, когда n+2 – является делителем 1, т.е. если n+2=1 или n+2= -1
n= -1 n= -3.
Равноостаточные классы
Тот факт, что любое число n при делении на 2 может дать остаток 0 или 1, при делении на 3 – один из остатков 0, 1, 2 и т.д., при делении на k – только один из следующих остатков 0, 1, 2, 3, …, k-1, может также служить отправным пунктом при решении задач, связанных с делимостью чисел.
Задача 1
Доказать, что разность между квадратом числа, которое не делится на 3, и единицей, делится на 3.
Решение: если число не делится на 3, то оно имеет вид 3k+1 или 3k+2. В первом случае разность между его квадратом и единицей равна (3k+1)2
-1=9k2
+6k+1-1=9k2
+6k, во втором (3k+2)2
-1=9k2
+12k+4-1=9k2
+12k+3. В обоих случаях разность делится на 3, т.к. каждое слагаемое делится на 3. Примечание. Числа, не делящиеся на 3, можно представить не двумя, а одной формулой 3k±1. Доказательство аналогично.
Применение теоремы Безу
Теорема Безу:
Остаток от деления многочлена a0
xn
+a1
xn
-1
+a2
xn
-2
+…+an
-1
x+an на двучлен х-а равен значению этого многочлена при х равном а.
Из теоремы Безу следует, что при любом нечетном значении n выражения an
+bn
и an
-bn
делятся соответственно на a +b и a-b, а при четном n разность an
-bn
делится и на a +b, и на a-b. На основании этого факта решаются многие задачи на делимость.
Задача 1
Доказать, что ни при каком натуральном n сумма n3
+6n2
+15n+15 не делится на (n+2).
Решение: согласно теоремы Безу, если многочлен P(n) делится на (n-a), то остаток от деления этого многочлена на (n-a) будет равен 0 или P(a) при любом n. Найдем P(-2)=(-2)3
+
+6(-2)2
+15(-2)+15= -8+24-30+15=11. Остаток отличен от 0, значит ни при каком n сумма n3
+6n2
+15n+15 не делится на (n+2).
Задача 2
Доказать, что выражение 39n
-2·4n
+18n
делится на 7 при любом натуральном n.
Решение: запишем наше выражение в таком виде:
39n
-2·4n
+18n
=(39n
-4n
)+(18n
-4n
), тогда 39n
-4n
делится на разность оснований степеней, т.е. на 39-4=35, а следовательно, делится и на 7, 18n
-4n
также делится на разность оснований 18-4=14, а значит и на 7.
Задача 3
Доказать, что 3n
(13n
-10n
-6n
)+65n
делится на 56 при всех нечетных n.
Решение: так как 56=7·8, то достаточно доказать делимость данного выражения на 7 и на 8. Это можно сделать, представив заданное выражение в следующем виде:
3n
(13 n
-10n
-6n
)+65n
=39n
-30n
-18n
+65n
=3n
(13n
-6n
)+5n
(13n
-6n
)=(13n
-6n
)(3n
+5n
). Первый сомножитель делится на 7, а второй на 8 при всех нечетных n.
Четность и нечетность чисел
Как известно, все целые числа можно разбить на две группы – четные и нечетные числа. Все четные имеют вид 2n, нечетные 2n+1, где n – любое целое число. Посмотрим, как понятие четности и нечетности чисел может быть использовано при решении некоторых задач.
Задача 1
Доказать, что уравнение x2
+1982=y2
не имеет решений в целых числах.
Решение: предположим, что уравнение имеет решения в целых числах. Запишем данное уравнение в таком виде: 1982=y2
-x2
. Так как 1982 четное число, то, чтобы уравнение имело решение, необходимо, чтобы разность y2
-x2
была четным числом, а это возможно только тогда, когда x и у числа одинаковой четности, т.е. x и у одновременно четные, или оба нечетные числа.
Теперь запишем уравнение в таком виде: 1982=(y+x)(у-x). Так как x и у числа одинаковой четности, то и сумма, и разность их будут четными числами, следовательно, правая часть уравнения будет делится на 4, но левая часть на 4 не делится. Полученное противоречие и показывает, что уравнение решений в целых числах иметь не может.
Задача 2
Решить в простых числах уравнение х2
-2у2
=1. Так как вычитаемое 2у2
четно, а разность нечетна, то уменьшаемое х2
должно быть нечетно, откуда и x нечетно. Запишем уравнение в таком виде: (х-1)(х+1)=2у2
. Так как x нечетно, то х-1 и х+1 четные числа, произведение их делится на 4. Но раз левая часть делится на 4, то, чтобы уравнение имело решение, необходимо, чтобы правая часть также делилась на 4, что возможно только при четном у. Но x и у простые числа, следовательно, у=2, откуда х=3.
Квадрат натурального числа
Задачи, связанные с квадратом натурального числа, часто решаются на основании следующих положений.
1. Квадрат натурального числа либо делится на 4, либо при делении на 8 дает в остатке 1. Действительно, если а=2k, то а2
=4k2
делится на 4. Если а=2k+1, то а2
=4k2
+4k+1=4k(k+1)+1 и остаток от деления на 8 есть единица, ибо 4k(k+1) делится на 8.
2. а2
либо делится на 9, либо при делении на 3 дает в остатке 1. Если а=3k, то а2
=9k2
; если а=3k-/+1, то а2
=9k2
-/+6k+1, что и доказывает наше утверждение.
3.Между квадратами а2
и (а+1)2
не содержится не содержится ни одного точного квадрата.
4.Точный квадрат не может оканчиваться цифрами 2, 3 , 7, 8, а также нечетным числом нулей.
5.Если разность двух натуральных чисел равна 2k, то произведение этих чисел, увеличенное на k2
, есть точный квадрат. Доказательство. Пусть а-b=2k, откуда, а=b+2k. Тогда аb+k2
=(b+2k)b+k2
=b2
+2bk+k2
=(b+k)2
.
Задача 1
Доказать, что при любом натуральном n число 3n+2 не является квадратом целого числа.
Решение: мы знаем, что квадрат натурального числа либо делится на 9, либо при делении на 3 дает в остатке 1. Наше число 3n+2 при делении на 3 дает в остатке 2, а значит, оно не является квадратом натурального числа.
Задача 2
Доказать, что не существует целых чисел x и y, удовлетворяющих уравнению 15x2
=9+7y2
.
Решение: левая часть уравнения кратна 5, выясним, делится ли на 5 и правая часть уравнения. Квадрат любого натурального числа может оканчиваться цифрами 0,1,4,5,6,9, тогда
7y2
может оканчиваться на 0,7,8,5,2,3, а 9+7y2
будет оканчиваться на 9,6,7,4,1,2, но ни одно из таких чисел на 5 не делится, т.к. на 5 делятся числа, оканчивающиеся 0 или 5. Значит, уравнение не имеет решений в целых числах.
Задача 3
Доказать, сумма квадратов двух нечетных чисел не может быть квадратом целого числа.
Решение: сумму квадратов двух нечетных чисел можно представить так:
(2k+1)2
+(2n+1)2
=4k2
+4k+1+4n2
+4n+1=4k2
+4k+4n2
+4n+2=4(k2
+k+n2
+n)+2=4(k(k+1)+n(n+1))+2. Эта сумма не делится нацело на 4, (так как дает остаток 2), а при делении на 8 остаток тоже равен 2, так как (k(k+1)+n(n+1)) – число четное, ведь k(k+1) и n(n+1) – произведения двух последовательных натуральных чисел, одно из которых обязательно делится на 2. Значит, 4(k(k+1)+n(n+1)) делится на 8, а 2 на 8 не делится. Но мы знаем, что квадрат натурального числа либо делится на 4, либо при делении на 8 дает в остатке 1, поэтому сумма квадратов двух нечетных чисел не может быть квадратом целого числа.
Бином Ньютона
Многие задачи на делимость чисел могут быть решены с использованием разложения бинома Ньютона. Оно имеет вид: (х+а)n
=cn
0
xn
+cn
1
xn
-1
a+cn
2
xn
-2
a2
+…+cn
k
xn
-
k
an
+…+cn
n
an
, где сn
k
=n!/k!(n-k)!. Число членов разложения равно n+1. Если бином имеет вид (х-а)n
, то все члены разложения, стоящие на четных местах, имеют знак минус, на нечетных местах – знак плюс.
Задача 1
Доказать, что 29n
+32
n
-2n+3
делится на 9 при всех натуральных n.
Решение: 29n
+32
n
-2n+3
=(27-2)n
+9n
-8·2n
=27·К-2n
+9n
-8·2n
=27K+9n
-8·2n
-2n
=27K+9n
-9·2n
. Все члены разложения бинома, кроме последнего, имеют множителем число 27, следовательно, делятся на 9. Последний член разложения (–2n
). Тогда данное число можно записать так: 27K+9n
-9·2n
, где K – частное от деления n первых членов разложения бинома Ньютона на 27. В полученной сумме каждое слагаемое делится на 9, значит, и сумма делится на 9.
Задача 2
Найти остаток от деления числа 1015
+1017
+74 на 9.
Решение: 1015
=(9+1)15
=9·К+115
, где К - частное от деления первых 15 членов разложения двучлена (9+1)15
в многочлен.
1017
=(9+1)17
=9·N+117
, где N - частное от деления первых 17 членов разложения двучлена (9+1)17
в многочлен.
74=9·8+2
Тогда 1015
+1017
+74=9K+1+9N+1+9·8+2=9(K+N+8)+4, значит, остаток равен 4.
Малая теорема Ферма
Некоторые задачи на делимость целых чисел могут быть решены при помощи так называемой «малой» теоремы Ферма.
Теорема Ферма (малая).
Если р число простое, р и а взаимно просты, то ар-1
-1 делится на р.
Иногда применяют следствие из этой теоремы: для простого р и любого натурального а ар
-а делится без остатка на р.
Задача 1
Найти остаток от деления 230
на 13.
Решение: 230
=226
·24
=413
·16-16·4+16·4=16(413
-4)+64. Первое слагаемое делится на 13 по теореме Ферма, а так как 64=13·4+12, то остаток от деления равен 12.
Задача 2
Доказать, что а12
-b12
делится на 65, если а и b взаимно простые числа с 65.
Решение: 65=13·5. Сначала докажем делимость данной разности на 13. Для этого запишем так: a12
-b12
=(a12
-1)-(b12
-1). По теореме Ферма каждое слагаемое делится на 13, следовательно, разность a12
-b12
делится на 13. Теперь докажем делимость на 5. a12
-b12
=((a4
)3
-1)-((b4
)3
-1)=(a4
-1)(a8
+a4
+1)-(b4
-1)(b8
+b4
+1). Из того, что a4
-1 и b4
-1 делятся на 5, следует делимость на 5 всего данного числа. Но раз число делится и на 5 и на 13, то оно делится на 65, т.к. 5 и 13 взаимно просты.
Последняя цифра числа
Если число оканчивается на 0, 1, 5, 6, то и любая натуральная степень его оканчивается соответственно на 0, 1, 5, 6. Если же рассмотреть 1, 2 , 3, 4 и т.д. степени числа 2, то получим, что последними цифрами будут соответственно 2, 4, 8, 6, 2, 4, 8, 6…Слндовательно, последние цифры будут периодически повторятся через 4. Таким образом, 24
n+1
оканчивается цифрой 2, 24
n+2
– 4, 24
n+3
– 8, 24
n+4
– 6, где nЄN.
Аналогичная картина будет и в случае, когда число будет оканчиваться цифрами 3, 7, 8. Так, 34
k+1
оканчивается цифрой 3, 34
k+2
– цифрой 9, 34
k+3
– цифрой 7, 34
k+4
– цифрой 1, где kЄN, 74
k+1
оканчивается цифрой 7, 74
k+2
– цифрой 9, 74
k+3
– цифрой 3, 74
k+4
– цифрой 1, kЄN, 84
k+1
– цифрой 8, 84
k+2
– цифрой 4, 84
k+3
– цифрой 2, 84
k+4
– цифрой 6, kЄN.
Для чисел, оканчивающихся на цифры 4 и 9, период повторяемости равен 2.
42
k-1
оканчивается цифрой 4, 42
k
– цифрой 6, kЄN.
92
k-1
– цифрой 9, 92
k
– цифрой 1, где kЄN.
Задача 1
Какой цифрой оканчивается число 19821982
?
Решение: 19821982
=19824· 495+2
– оканчивается такой же цифрой, как и 22
, т.е. 4.
Задача 2
Доказать, что число 1111
+1212
+1313
делится на 10.
Решение: 1111
+1212
+1313
=1111
+124·3
+134·3+1
.
1111
оканчивается цифрой 1, 124·3
оканчивается цифрой 6, 134·3+1
оканчивается цифрой 3, значит, вся сумма 1111
+124·3
+134·3+1
оканчивается цифрой 0, т.к. 1+6+3=10, а если число оканчивается 0, то оно кратно 10.
Этот метод основан на Арифметике сравнений
или Арифметике остатков
.
«Остатки» играют в нашей жизни большую роль. Мы встречаемся с ними буквально на каждом шагу. Приведем несколько примеров.
1. Говоря «30 год», мы указываем век, так как 30 год может быть и в XX в., и в XIX в., и в XVIII в.; 30 – это остаток от деления полного числа лет на 100.
2. Вы взглянули на часы, которые показывают 8 ч. Но это может быть и 8 ч и 20 ч, так как часы показывают остаток от деления полного времени на 12.
3. Счетчик показывает 0314 кВт • ч. Это может быть и 0314 кВт•ч и 10314 кВт•ч и 20314 кВт•ч, так как счетчик показывает остаток от деления израсходованного числа киловатт-часов на 10 000. Таких примеров можно привести множество. Иногда найти остаток совсем нетрудно. А как, например, найти остаток от деления числа 1996•1997•1998•1999•2000•2001 на 7? Перемножить и разделить? Представьте себе проблемы, с которыми придется столкнуться. Эту задачу мы решим немного позже и почти устно, познакомившись с теорией «Арифметика остатков» или «Арифметика сравнений».
Определение.
Делитель в теории чисел называется модулем, а числа, дающие при делении на модуль одинаковые остатки, называются сравнимыми по модулю.
Например, 8 = 7•1+1, 15 = 7•2+1. Числа 8 и 15 при делении на 7 дают одинаковые остатки, равные 1, следовательно, 8 и 15 сравнимы по модулю 7. Это записывают так: 15≡8 (mod 7), аналогично 22≡15 (mod 7). В качестве модуля можно взять любое натуральное число. Например, 20≡5 (mod 3), 16≡4 (mod 4), 37≡7 (mod 10). Вообще a≡b (mod m), если a = mc + r, b = mc + r, где 0 < r < m. Вообще, если a≡b (mod m), то a – b = (mc + r) – (md + r) = m(c – d) делится на m. Мы доказали, что если числа сравнимы по модулю m, то их разность делится на модуль m. Верно и обратное утверждение: если разность двух чисел делится на m, по эти числа сравнимы по модулю m. В самом деле, если бы эти числа не были сравнимы по модулю m, то давали бы разные остатки при делении на m, но тогда их разность не могла бы делиться на m.
Сравнения по одному и тому же модулю, можно перемножать, следовательно, и возводить в натуральную степень. Итак, пусть a≡b (mod m) и c≡d (mod m). Докажем, что ac≡bd (mod m). Доказательство. Рассмотрим разность ac – bd = ac – bc + bc – bd = c(a – b) + b(c – d) делится на m, так как (a – b) делится на m и (c – d) делится на m. Следовательно, ac≡bd (mod m), что и требовалось доказать.
Задача 3
Найдите остаток от деления на 7 произведения чисел 1995•1996•1997•1998•1999.
Решение: так как 1995≡0 (mod 7), то 1995•1996•1997•1998•1999 ≡ 0•1•2•3•4 ≡ 0 (mod 7). Таким образом, остаток равен 0.
Задача 4
Найдите остаток от деления на 7 числа 1996•1997•1998•1999•2000•2001.
Решение: имеем 1996•1997•1998•1999•2000•2001≡1•2•3•4•5•6=720≡20≡6 (mod 7). Остаток равен 6.
Заметим, что остаток от деления числа на 10 есть последняя цифра этого числа. Пример. 21≡1 (mod 10), 134≡4 (mod 10). Для решения ряда задач на поиски последней цифры числа полезна следующая «таблица».
| 1k
|
5k
|
6k
|
92
|
Работая над темой «Задачи на делимость», я провела анализ ее применения в 6-11 классах средней общеобразовательной школы. Познакомилась с различными способами решения этих задач. Выяснила, что решение задач данной тематики особенно актуально, так как они часто встречаются в олимпиадах по математике, а также на вступительных экзаменах в различные ВУЗы.
Данную работу можно использовать в качестве элективного курса по математике, так как в ней воедино собраны все виды задач на делимость.
Список, используемой литературы:
1. Учебник Алгебра 7 класса, Ш.А. Алимов и другие.
Учебник Алгебра 8 класса, Ш.А. Алимов и другие.
Учебник Алгебра 9 класса, Ш.А. Алимов и другие.
2. Учебник Алгебра 7 класса, Ю.Н. Макарычев и другие.
Учебник Алгебра 8 класса, Ю.Н. Макарычев и другие.
Учебник Алгебра 9 класса, Ю.Н. Макарычев и другие.
3. Математика – 6, А.Г. Петерсон, Г.В. Дорофеев.
4. Ю.М.Макарычев и Н.Г.Миндюк, Дидактические материалы по алгебре для 8 класса,1998.
5. Н.Н.Воробьев, Признаки делимости, 1988.
6. В.Е.Андреев, Задачи на делимость, 1991.
7. Г.Г. Хамов, Алгебра и теория чисел в школьной математике, 1991.
8. http://www.1september.ru/
9. http://inf.1september.ru/
10. http://kvant.mirror0.mccme.ru/
Приложение 1
Решение задач на делимость можно начать с упражнений по следующим темам:
Понятие делимости.
1.
Известно, что a
ЄZ
. Верно ли высказывание:
а) если а
делится на 15, то а
делится на 5;
б) если а
делится на 5, то а
делится на 15?
2.
Пусть А –
множество чисел, кратных 22. Принадлежит ли множеству А
:
а) любое число, кратное 44;
б) любое число, кратное 11?
3.
Известно, что А –
множество четных чисел, В –
множество чисел, кратных 8. Верно ли высказывание:
а) А
ЄВ
б) В
ЄА
4.
Пусть Х –
множество чисел, кратных 15. Укажите два каких-либо бесконечных его подмножества.
5.
Постройте схему Эйлера для множеств А
и В
, если А –
множество чисел, кратных 36, В –
множество чисел, кратных 12.
6.
Изобразите с помощью кругов Эйлера множества Х
и У
и охарактеризуйте их пересечение, если:
а) Х –
множество нечетных чисел, У –
множество чисел, кратных 3;
б) Х –
множество чисел, кратных 8, У –
множество чисел, кратных 4.
7.
Пусть Р –
множество чисел, кратных 12, М –
множество чисел, кратных 8. Укажите два каких-либо которые:
а) принадлежат каждому из множеств;
б) принадлежат множеству Р
, но не принадлежат множеству М
;
в) принадлежат множеству М
, но не принадлежат множеству Р
.
Покажите соотношение между множествами Р
и М
с помощью кругов Эйлера.
8.
Приведите пример каких-либо множеств А
и В
, соотношение между которыми показано с помощью схемы Эйлера на рисунке 1.
а) б)
Рис.1
9.
Найдите пересечение и объединение множеств А
и В
, если А –
множество чисел, кратных 5, В –
множество чисел, кратных 10.
10.
Докажите, что:
а) 321
+ 322
+ 323
делится на 13;
б)258
– 515
делится на 4.
Свойства деления с остатком
1.
Из данных пар чисел выберите те, которые при делении на 5 дают равные остатки:
166 и 116; –78 и –12; –24 и 11.
2.
Укажите два положительных и два отрицательных числа, которые при делении на 4 дают такой же остаток, что и число 78.
3.
Известно, что разность 127 – а
делится на 7. Какой остаток при делении на 7 дает число а
?
4.
Какой остаток получится при делении:
а) 3168
на 10;
б) 5146
на 6?
5.
Найдите остаток от деления:
а) 2·354
на 13;
б) 7·158
на 14.
6.
Докажите, что:
а) 212
+ 8 делится на 9;
б) 736
– 1 делится на 10.
7.
Используя алгоритм Евклида, найдите наибольший общий делитель чисел:
а) 2784 и 7008;
б) 5964 и 8148
Приложение 2
Понятие делимости
1.
Известно, что a
ЄZ
. Верно ли высказывание:
а) если а
делится на 9, то а
делится на 18;
б) если а
делится на 18, то а
делится на 9?
2.
Пусть С –
множество чисел, кратных 14. Принадлежит ли множеству С
:
а) любое число, кратное 28;
б) любое число, кратное 7?
3.
Известно, что Р –
множество четных чисел, Х –
множество чисел, кратных 4. Верно ли высказывание:
а) Р
ЄХ
б) Х
ЄР
4.
Пусть У –
множество чисел, кратных 12. Укажите два каких-либо бесконечных его подмножества.
5.
Постройте схему Эйлера для множеств А
и В
, если А –
множество чисел, кратных 8, В –
множество чисел, кратных 16.
6.
Изобразите с помощью кругов Эйлера множества А
и В
и охарактеризуйте их пересечение, если:
а) А –
множество четных чисел, В –
множество чисел, кратных 5;
б) А –
множество чисел, кратных 6, В –
множество чисел, кратных 3.
7.
Пусть F
–
множество чисел, кратных 10, К –
множество чисел, кратных 15. Укажите два каких-либо которые:
а) принадлежат каждому из множеств;
б) принадлежат множеству F
, но не принадлежат множеству К
;
в) принадлежат множеству К
, но не принадлежат множеству F
.
Покажите соотношение между множествами F
и К
с помощью кругов Эйлера.
8.
Приведите пример каких-либо множеств Х
и У
, соотношение между которыми показано с помощью схемы Эйлера на рисунке 2.
а) б)
Рис.2
9.
Найдите пересечение и объединение множеств А
и В
, если А –
множество чисел, кратных 36, В –
множество чисел, кратных 12.
10.
Докажите, что:
а) 516
+ 517
+ 519
делится на 131;
б)86
– 215
делится на 7.
Свойства деления с остатком
1.
Из данных пар чисел выберите те, которые при делении на 4 дают равные остатки:
326 и 102; –92 и –22; –50 и 14.
2.
Укажите два положительных и два отрицательных числа, которые при делении на 5 дают такой же остаток, что и число 68.
3.
Известно, что разность 215 – b
делится на 6. Какой остаток при делении на 6 дает число b
?
4.
Какой остаток получится при делении:
а) 2162
на 3;
б) 3171
на 13?
5.
Найдите остаток от деления:
а) 3·175
на 16;
б) 5·212
на 13.
6.
Докажите, что:
а) 78
+ 4 делится на 5;
б) 3172
– 1 делится на 8.
7.
Используя алгоритм Евклида, найдите наибольший общий делитель чисел:
а) 2808 и 3384;
б) 3192 и 4648.