Проанализируйте верность следующего утверждения в теории чисел: если a^n - 1 делится на n для всех натуральных n, то a = 1; приведите контрпримеры или докажите утверждение, укажите, какие теоремы (например, малые теоремы Ферма) можно применить, и где они неприменимы
Надо уточнить область определения: предположим aaa — целое число. Утверждение тогда истинно: из условий следует a=1a=1a=1. Доказательство. Пусть для всех натуральных nnn выполняется n∣an−1n\mid a^n-1n∣an−1. Возьмём произвольное простое ppp. Если p∣ap\mid ap∣a, то ap−1≡−1(modp)a^p-1\equiv-1\pmod pap−1≡−1(modp), противоречие с тем, что p∣ap−1p\mid a^p-1p∣ap−1. Значит gcd(a,p)=1\gcd(a,p)=1gcd(a,p)=1. По малой теореме Ферма ap≡a(modp)a^p\equiv a\pmod pap≡a(modp), откуда ap−1≡a−1(modp).
a^p-1\equiv a-1\pmod p. ap−1≡a−1(modp).
Раз p∣ap−1p\mid a^p-1p∣ap−1, то p∣a−1p\mid a-1p∣a−1. Получается, что любое простое ppp делит a−1a-1a−1, следовательно a−1=0a-1=0a−1=0, т.е. a=1.
a=1. a=1. Использованные теоремы и замечания: применена малая теорема Ферма (требует простоты модуля и gcd(a,p)=1\gcd(a,p)=1gcd(a,p)=1). Для составных nnn прямая аналогия с Ферма не работает, но нам достаточно рассмотреть простые nnn. Если aaa нецелое, то условие обычно невыполнимо (кратко: знаменатель даёт противоречие при выборе простого ppp большим, чем знаменатель), поэтому единственный рациональный/целый случай — a=1a=1a=1.
Доказательство. Пусть для всех натуральных nnn выполняется n∣an−1n\mid a^n-1n∣an−1. Возьмём произвольное простое ppp. Если p∣ap\mid ap∣a, то ap−1≡−1(modp)a^p-1\equiv-1\pmod pap−1≡−1(modp), противоречие с тем, что p∣ap−1p\mid a^p-1p∣ap−1. Значит gcd(a,p)=1\gcd(a,p)=1gcd(a,p)=1. По малой теореме Ферма ap≡a(modp)a^p\equiv a\pmod pap≡a(modp), откуда
ap−1≡a−1(modp). a^p-1\equiv a-1\pmod p.
ap−1≡a−1(modp). Раз p∣ap−1p\mid a^p-1p∣ap−1, то p∣a−1p\mid a-1p∣a−1. Получается, что любое простое ppp делит a−1a-1a−1, следовательно a−1=0a-1=0a−1=0, т.е.
a=1. a=1.
a=1.
Использованные теоремы и замечания: применена малая теорема Ферма (требует простоты модуля и gcd(a,p)=1\gcd(a,p)=1gcd(a,p)=1). Для составных nnn прямая аналогия с Ферма не работает, но нам достаточно рассмотреть простые nnn. Если aaa нецелое, то условие обычно невыполнимо (кратко: знаменатель даёт противоречие при выборе простого ppp большим, чем знаменатель), поэтому единственный рациональный/целый случай — a=1a=1a=1.