Maths Olympiad Prep

Library / /33 of 61

Number theory Difficulty 5.7 AIME, harder Prove it Ukraine

Find all prime numbers pp such that p5p=2n!p^5 - p = 2n!, where nn is a positive integer.

Solution

Число p=2p = 2 не задовольняє умову, оскільки p5p=30=215p^5 - p = 30 = 2 \cdot 15 та 3!<15<4!3! < 15 < 4! Число p=3p = 3 задовольняє умову, оскільки p5p=240=25!p^5 - p = 240 = 2 \cdot 5!

Нехай p5p \ge 5 та p5p=2n!p^5 - p = 2n! для деякого натурального nn, тоді n!=(p1)p(p+1)p2+12n! = (p-1)p(p+1) \frac{p^2+1}{2}. Оскільки pp просте та n!n! ділиться без остачі на pp, то npn \ge p. Отже,
12(p2)(p1)pn=(p1)p(p+1)p2+12. 1 \cdot 2 \cdots (p-2) \cdot (p-1) \cdot p \cdots n = (p-1)p(p+1) \frac{p^2+1}{2}.
Звідси (p+1)(p2+1)(p+1)(p^2 + 1) ділиться без остачі на p2p-2. Але (p+1)(p2+1)=p3+p2+p+1=(p2)(p2+3p+7)+15(p+1)(p^2 + 1) = p^3 + p^2 + p + 1 = (p-2)(p^2 + 3p + 7) + 15, тому 15 ділиться без остачі на p2p-2.

Оскільки p23p-2 \ge 3, то p2=3p-2 = 3, або p2=5p-2 = 5, або p2=15p-2 = 15 тобто p=5p = 5, або p=7p = 7, або p=17p = 17. Перевірка показує, що ці числа не задовольняють умову.

Відповідь: p=3p = 3.

Want a route through all this instead of an archive? The track puts 2,000 problems in a working order, from AMC 10 level to the IMO shortlist.

Source: MathNet, licensed CC-BY-4.0. Statement and solution reproduced as published; topic and difficulty added by this site.