 Én az alábbi megoldást küldtem a szerkesztőségnek:
\(\displaystyle a)\) Az \(\displaystyle n\) számot \(\displaystyle n=pq_1q_2\dots{q_l}\) alakban fogjuk keresni, ahol \(\displaystyle p\) a \(\displaystyle k-1\) egy prímosztója, \(\displaystyle q_1,\) \(\displaystyle q_1,\) ..., \(\displaystyle q_l\) pedig páronként különböző prímek. A \(\displaystyle 3.\) feladat megoldása alapján tudjuk, hogy ha \(\displaystyle v_p(n)=1,\) akkor \(\displaystyle v_p(f^{2024}(n))=v_p(n)+2024v_p(k-1)=2024v_p(k-1)+1,\) ha \(\displaystyle p\) páratlan, és \(\displaystyle 2024(v_p(k-1)+v_p(k+1)-1)+1,\) ha \(\displaystyle p=2,\) továbbá \(\displaystyle v_p(f^i(n))<v_p(f^2024(n)),\) ha \(\displaystyle i<2024\). Így \(\displaystyle p\) kitevője \(\displaystyle f^2024(n)\)-ben egyértelműen meghatározott (ha \(\displaystyle v_p(n)=1\)), legyen ez \(\displaystyle M,\) és az \(\displaystyle f\) iteráltjainak sorozatában korábbi tagokban kisebb, mint \(\displaystyle M\). Legyen tehát \(\displaystyle q_1\) a \(\displaystyle k^{p^M}-1\) egy primitív prímosztója. Ezután definiáljuk a \(\displaystyle q_2,\) \(\displaystyle q_3,\) ..., \(\displaystyle q_l\) prímeket a következőképpen: legyen \(\displaystyle q_{i+1}\) a \(\displaystyle k^{f^{2024}(q_i)}-1\) egy primitív prímosztója. A következő állítás fog kelleni:
Lemma. \(\displaystyle q_t\mid{f^i(n)}\) ha \(\displaystyle 2025\mid{i}\), illetve \(\displaystyle q_t\not\mid{f^i(n)},\) ha \(\displaystyle 2025(t-1)<i<2025t\)
Bizonyítás. A bizonyítást \(\displaystyle t\) szerinti teljes indukcióval végezzük el. \(\displaystyle t=1\)-re világos, hiszen \(\displaystyle p_1\) pontosan akkor osztja \(\displaystyle f^i(n)\)-et, ha \(\displaystyle f^{i-1}(n)\) osztható \(\displaystyle p^M\), ami \(\displaystyle p\) kitevőjének az iteráltak sorozatában való szigorú monoton növekvése miatt pontosan akkor teljesül, ha \(\displaystyle i-1\ge{2024},\) vagyis \(\displaystyle i\ge{2025}\) vagy \(\displaystyle i=0,\) azaz \(\displaystyle f^i(n)\) minden \(\displaystyle 2025\)-tel osztható \(\displaystyle q_1\)-gyel, de semmilyen \(\displaystyle 0<i<2025\)-re nem. Most tegyük fel, hogy valamilyen \(\displaystyle t\)-re már beláttuk az állítást, és szeretnénk \(\displaystyle (t+1)\)-re is. Ekkor \(\displaystyle k\) rendje mod \(\displaystyle q_{t+1}\) éppen \(\displaystyle f^{2024}(q_t),\) vagyis \(\displaystyle q_{t+1}\) pontosan akkor osztja \(\displaystyle f^i(n)\)-et, ha \(\displaystyle f^{2024}(q_t)\mid{f^{i-1}(n)}\)-et. A trükk az az egyszerű állítás, hogy \(\displaystyle f(a)\mid{f(b)}\) akkor és csakis akkor, ha \(\displaystyle a\mid{b}.\) Ez azért igaz, mert mod \(\displaystyle k^a-1\) a \(\displaystyle k\) rendje \(\displaystyle a,\) így \(\displaystyle k^a-1\mid{k^b-1}\) akkor és csakis akkor, ha \(\displaystyle a\mid{b}.\) Ezen állítás segítségével indukcióval azonnal adódik, hogy \(\displaystyle f^{2025-j}(q_t)\) akkor és csakis akkor osztja \(\displaystyle f^{i-j}(n)\)-et (\(\displaystyle j\le{\min(i,2025)}\)), ha \(\displaystyle f^{2024}(q_t)\) osztja \(\displaystyle f^{i-1}(n)\)-et, vagyis ez utóbbi \(\displaystyle i\ge{2025}\) esetén pontosan akkor teljesül, ha \(\displaystyle q_t\mid{f^{i-2025}(n)},\) ez pedig az indukciós feltevés alapján azt jelenti, hogy \(\displaystyle q_{t+1}\mid{f^i(n)},\) ha \(\displaystyle i\) osztható \(\displaystyle 2025\)-tel (ugyanis \(\displaystyle q_{t+1}\) osztja \(\displaystyle n=f^0(n)\)-et is), és \(\displaystyle q_{t+1}
\not\mid{f^i(n)},\) ha \(\displaystyle 2025t<i<2025(t+1),\) mert ekkor \(\displaystyle 0\le{2025(t-1)}<i-2025<2025t,\) tehát \(\displaystyle q_t
\not\mid{f^{i-2025}(n)}\).
A lemma bizonyítása után vegyük észre, hogy készen vagyunk az \(\displaystyle a)\) résszel, ugyanis ekkor ha \(\displaystyle 2025l>m,\) akkor ha \(\displaystyle 2025\mid{i},\) akkor \(\displaystyle f^i(n)\) osztható a lemma alapján a \(\displaystyle q_1,\) \(\displaystyle q_2,\) ..., \(\displaystyle q_l\) számok mindegyikével, továbbá nyilván \(\displaystyle p\)-vel is, tehát \(\displaystyle n\)-nel is, míg ha \(\displaystyle 2025
\not\mid{i},\) és \(\displaystyle i<2025l\), akkor létezik olyan \(\displaystyle t\le{l},\) hogy \(\displaystyle 2025(t-1)<i<2025t,\) és ekkor \(\displaystyle q_t\not\mid{f^i(n)},\) vagyis \(\displaystyle n\not\mid{f^i(n)}\).
\(\displaystyle b)\) Belátjuk, hogy ez nem lehetséges, sőt erősebben, ha \(\displaystyle n\mid{f^{2025}(n)},\) akkor elég nagy \(\displaystyle N\)-re \(\displaystyle n\mid{f^N(n)}\).
Az ötlet a következő: soroljuk fel \(\displaystyle n\) osztóit a legnagyobb prímosztójuk nagysága szerint növekvő sorrendben, ha pedig két osztóban ugyanaz a legnagyobb prím kitevője, akkor azt soroljuk előrébb, amelyben az kisebb kitevőn van. Indukcióval fogjuk megmutatni, hogy az osztók sorozatának minden tagjára igaz, hogy elég nagy \(\displaystyle n\)-re osztja \(\displaystyle f^N(n)\)-et, így végül speciálisan \(\displaystyle n\)-re is. Legyenek ehhez az osztók sorban \(\displaystyle d_1,\) \(\displaystyle d_2,\) ..., \(\displaystyle d_m\). Világos, hogy \(\displaystyle d_1=1\)-re teljesül az állítás, így tegyük fel, hogy \(\displaystyle d_{s-1}\)-ig már minden osztóra beláttuk az állítást, és szeretnénk \(\displaystyle d_s\)-re is.
Ehhez legyen \(\displaystyle g(a)=ord_a(k)\) minden \(\displaystyle a\)-ra, ami relatív prím \(\displaystyle k\)-hoz. A kulcs észrevétel az, hogy tetszőleges \(\displaystyle a\)-ra \(\displaystyle a\mid{f^{2025}(n)}\) akkor és csakis akkor, ha \(\displaystyle g^{2025}(a)\) értelmes, és \(\displaystyle g^{2025}(a)\mid{n}\). Ez egyszerű indukcióval következik abból, hogy \(\displaystyle a\mid{f^i(n)}\) akkor és csakis akkor, ha \(\displaystyle g(a)\mid{f^{i-1}(n)},\) ami nyilvánvaló. Így mivel \(\displaystyle d_s\mid{n}\mid{f^{2025}(n)},\) ezért \(\displaystyle g^{2025}(d_s)\) létezik és osztja \(\displaystyle n\)-et. Most jön a kulcsgondolat: azt állítjuk, hogy ez a sorozatban korábban helyezkedik el \(\displaystyle d_s\)-nél, amivel készen lennénk az indukciós lépéssel, mert akkor az indukciós feltevés miatt \(\displaystyle g^{2025}(d_s)\mid{f^{i}(n)}\) elég nagy \(\displaystyle i\)-re, tehát ezen \(\displaystyle i\)-kre \(\displaystyle d_s\mid{f^{i+2025}(n)},\) vagyis \(\displaystyle d_s\mid{f^i(n)}\) elég nagy \(\displaystyle i\)-re. Ez egyszerű, ha észrevesszük, hogy \(\displaystyle g(a)\) legnagyobb prímosztója nem lehet nagyobb, mint \(\displaystyle a\) legnagyobb prímosztója, továbbá ha \(\displaystyle a\) és \(\displaystyle g(a)\) legnagyobb prímosztója azonos, akkor \(\displaystyle g(a)\)-ban kisebb kitevőn szerepel, mint \(\displaystyle a\)-ban, ami azonnal következik az Euler-Fermat-tételből, mely szerint \(\displaystyle g(a)\mid\varphi(a),\) és \(\displaystyle \varphi(a)\)-nak a felírás szerint nem lehet nagyobb prímosztója, mint \(\displaystyle a\)-nak, továbbá \(\displaystyle a\) legnagyobb prímosztója eggyel kisebb kitevőn szerepel benne, mint \(\displaystyle a\)-ban. Így \(\displaystyle g^{2025}(d_s)\) legnagyobb prímosztója vagy annak kitevője kisebb, mint \(\displaystyle g^{2025}\)-ben, tehát az osztók sorozatában előrébb van, mint \(\displaystyle d_s\), készen vagyunk az indukcióval, és így a feladattal is.
|