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求证所有使$ rac{n(n-1)}{10}$为素数幂的整数n是否仅为5、6、10、11

求证所有使$\frac{n(n-1)}{10}$为素数幂的整数n是否仅为5、6、10、11

这个问题挺有意思的,我们可以从数论角度一步步拆解分析,来确认是否真的只有这四个正整数解。

首先注意到:n和n-1是连续整数,所以它们互质(连续整数的最大公约数必然是1)。题目要求$\frac{n(n-1)}{10}$是素数幂,等价于$n(n-1)=10p^k$,其中p是素数,k是正整数。

因为n和n-1互质,10的素因子(2和5)只能全部分配给其中一个数,或者分别分配给两个数(互质的数不能共享素因子)。我们分四种情况逐一讨论:


情况1:2和5都属于n

即$n=10a$,那么n-1=10a-1,代入得$10a(10a-1)=10pk$,约去10后得到$a(10a-1)=pk$。
由于a和10a-1互质(假设d是它们的公约数,d必然整除$10a-1 - 10×a = -1$,所以gcd(a,10a-1)=1),因此a和10a-1都必须是素数幂:

  • 当a=1时,10×1-1=9=3²,乘积$1×9=3²$是素数幂,对应n=10,是你找到的解之一;
  • 当a>1时,a和10a-1是两个不同的素数幂(且都大于1),它们的乘积会包含至少两个不同的素因子,不可能是素数幂。因此这种情况只有n=10这一个解。

情况2:2和5都属于n-1

即$n-1=10a$,n=10a+1,代入得$(10a+1)×10a=10pk$,约去10后得到$a(10a+1)=pk$。
同理,a和10a+1互质,两者都必须是素数幂:

  • 当a=1时,10×1+1=11(素数),乘积$1×11=11$是素数幂,对应n=11,是你找到的解之一;
  • 当a>1时,两个大于1的互质素数幂乘积必然包含多个素因子,不符合要求。因此这种情况只有n=11这一个解。

情况3:2属于n,5属于n-1

即$n=2a$,n-1=5b(a和b互质),代入得$2a×5b=10pk$,约去10后得到$ab=pk$。由于a和b互质,两者都必须是素数幂。
同时,连续整数的差为1,可得方程$2a - 5b = 1$,这是线性丢番图方程,通解为:
$a=3+5t$,$b=1+2t$(t为整数)
仅考虑正整数解(t≥0):

  • t=0时,a=3,b=1,乘积$3×1=3$是素数幂,对应n=2×3=6,是你找到的解之一;
  • t≥1时,a=3+5t≥8,b=1+2t≥3,两者都是大于1的互质数,乘积会包含多个素因子,不符合素数幂要求;
  • 负整数t会得到负的n值,比如t=-1时n=-4,虽然$\frac{(-4)(-5)}{10}=2$是素数幂,但通常这类问题默认讨论正整数,故可忽略。

情况4:5属于n,2属于n-1

即$n=5a$,n-1=2b(a和b互质),代入得$5a×2b=10pk$,约去10后得到$ab=pk$。同理,a和b都必须是素数幂。
由连续整数差为1,可得方程$5a - 2b = 1$,通解为:
$a=1+2t$,$b=2+5t$(t为整数)
仅考虑正整数解(t≥0):

  • t=0时,a=1,b=2,乘积$1×2=2$是素数幂,对应n=5×1=5,是你找到的解之一;
  • t≥1时,a=1+2t≥3,b=2+5t≥7,两者都是大于1的互质数,乘积包含多个素因子,不符合要求;
  • 负整数t会得到负的n值,比如t=-1时n=-5,同样属于非正整数解,可忽略。

结论

所有正整数解就是你找到的5、6、10、11,不存在更大的正整数解;若考虑负整数,还有-4、-5两个解,但通常这类数论问题默认讨论正整数范围。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Sebi19

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