Классический вопрос: сформулируйте и докажите критерий делимости числа n! + 1 на простое число, обсуждая связи с теоремой Вильсона и ограничениями на общие утверждения
Утверждение (критерий). Пусть ppp — простое число. Тогда 1) Если p≤np\le np≤n, то p∤n!+1p\nmid n!+1p∤n!+1. 2) Если p=n+1p=n+1p=n+1 и ppp простое, то p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1 (теорема Вильсона). 3) Если p>n+1p>n+1p>n+1, то p∣n!+1⟺(p−1−n)!≡(−1) p−n+1(modp).
p\mid n!+1\quad\Longleftrightarrow\quad (p-1-n)!\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p. p∣n!+1⟺(p−1−n)!≡(−1)p−n+1(modp). Доказательство. 1) Если p≤np\le np≤n, то ppp входит в произведение n!=1⋅2⋯nn!=1\cdot2\cdots nn!=1⋅2⋯n, значит n!≡0(modp)n!\equiv0\pmod pn!≡0(modp) и n!+1≡1(modp)n!+1\equiv1\pmod pn!+1≡1(modp), поэтому p∤n!+1p\nmid n!+1p∤n!+1. 2) Если p=n+1p=n+1p=n+1 и ppp простое, то по теореме Вильсона (p−1)!≡−1(modp)(p-1)!\equiv-1\pmod p(p−1)!≡−1(modp). Но (p−1)!=(n)!(p-1)!=(n)!(p−1)!=(n)!, откуда n!≡−1(modp)n!\equiv-1\pmod pn!≡−1(modp), т.е. p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1. 3) Пусть p>n+1p>n+1p>n+1. Из равенства (p−1)!=n!∏k=n+1p−1k(p-1)! = n!\prod_{k=n+1}^{p-1}k(p−1)!=n!∏k=n+1p−1k и тот факта, что по модулю ppp∏k=n+1p−1k=∏j=1 p−1−n(p−j)=(−1) p−1−n(p−1−n)!
\prod_{k=n+1}^{p-1}k=\prod_{j=1}^{\,p-1-n}(p-j)=(-1)^{\,p-1-n}(p-1-n)! k=n+1∏p−1k=j=1∏p−1−n(p−j)=(−1)p−1−n(p−1−n)!
получаем по Вильсону −1≡(p−1)!≡n! (−1) p−1−n(p−1−n)!(modp)-1\equiv (p-1)!\equiv n!\,(-1)^{\,p-1-n}(p-1-n)!\pmod p−1≡(p−1)!≡n!(−1)p−1−n(p−1−n)!(modp). Отсюда n!≡−(−1) p−1−n((p−1−n)!)−1(modp).
n!\equiv -(-1)^{\,p-1-n}\big((p-1-n)!\big)^{-1}\pmod p. n!≡−(−1)p−1−n((p−1−n)!)−1(modp).
Отсюда n!≡−1(modp)n!\equiv-1\pmod pn!≡−1(modp) (то есть p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1) эквивалентно ((p−1−n)!)−1≡(−1) p−n+1(modp),
\big((p-1-n)!\big)^{-1}\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p, ((p−1−n)!)−1≡(−1)p−n+1(modp),
а так как обращение по модулю ppp допустимо, это эквивалентно записи в пункте 3: (p−1−n)!≡(−1) p−n+1(modp).
(p-1-n)!\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p. (p−1−n)!≡(−1)p−n+1(modp). Комментарий о связях и ограничениях. Пункты 1–2 показывают связь с теоремой Вильсона: единый гарантированный случай делимости n!+1n!+1n!+1 простым равен p=n+1p=n+1p=n+1 при простоте n+1n+1n+1. Для p>n+1p>n+1p>n+1 критерий из пункта 3 даёт эквивалентное условие, но не даёт простого явного описания всех таких ppp в терминах nnn (существуют примеры, где p>n+1p>n+1p>n+1 делит n!+1n!+1n!+1, напр. 3!+1=73!+1=73!+1=7). Также важно: любые простые делители числа n!+1n!+1n!+1 строго больше nnn. В общем, нет более простого универсального критерия, который бы предсказывал все случаи делимости или простоту n!+1n!+1n!+1 (в частности, не существует тривиального обобщения Вильсона, гарантирующего простоту n!+1n!+1n!+1 для произвольного nnn).
1) Если p≤np\le np≤n, то p∤n!+1p\nmid n!+1p∤n!+1.
2) Если p=n+1p=n+1p=n+1 и ppp простое, то p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1 (теорема Вильсона).
3) Если p>n+1p>n+1p>n+1, то
p∣n!+1⟺(p−1−n)!≡(−1) p−n+1(modp). p\mid n!+1\quad\Longleftrightarrow\quad (p-1-n)!\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p.
p∣n!+1⟺(p−1−n)!≡(−1)p−n+1(modp).
Доказательство.
1) Если p≤np\le np≤n, то ppp входит в произведение n!=1⋅2⋯nn!=1\cdot2\cdots nn!=1⋅2⋯n, значит n!≡0(modp)n!\equiv0\pmod pn!≡0(modp) и n!+1≡1(modp)n!+1\equiv1\pmod pn!+1≡1(modp), поэтому p∤n!+1p\nmid n!+1p∤n!+1.
2) Если p=n+1p=n+1p=n+1 и ppp простое, то по теореме Вильсона (p−1)!≡−1(modp)(p-1)!\equiv-1\pmod p(p−1)!≡−1(modp). Но (p−1)!=(n)!(p-1)!=(n)!(p−1)!=(n)!, откуда n!≡−1(modp)n!\equiv-1\pmod pn!≡−1(modp), т.е. p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1.
3) Пусть p>n+1p>n+1p>n+1. Из равенства (p−1)!=n!∏k=n+1p−1k(p-1)! = n!\prod_{k=n+1}^{p-1}k(p−1)!=n!∏k=n+1p−1 k и тот факта, что по модулю ppp ∏k=n+1p−1k=∏j=1 p−1−n(p−j)=(−1) p−1−n(p−1−n)! \prod_{k=n+1}^{p-1}k=\prod_{j=1}^{\,p-1-n}(p-j)=(-1)^{\,p-1-n}(p-1-n)!
k=n+1∏p−1 k=j=1∏p−1−n (p−j)=(−1)p−1−n(p−1−n)! получаем по Вильсону −1≡(p−1)!≡n! (−1) p−1−n(p−1−n)!(modp)-1\equiv (p-1)!\equiv n!\,(-1)^{\,p-1-n}(p-1-n)!\pmod p−1≡(p−1)!≡n!(−1)p−1−n(p−1−n)!(modp). Отсюда
n!≡−(−1) p−1−n((p−1−n)!)−1(modp). n!\equiv -(-1)^{\,p-1-n}\big((p-1-n)!\big)^{-1}\pmod p.
n!≡−(−1)p−1−n((p−1−n)!)−1(modp). Отсюда n!≡−1(modp)n!\equiv-1\pmod pn!≡−1(modp) (то есть p∣n!+1p\mid n!+1p∣n!+1) эквивалентно
((p−1−n)!)−1≡(−1) p−n+1(modp), \big((p-1-n)!\big)^{-1}\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p,
((p−1−n)!)−1≡(−1)p−n+1(modp), а так как обращение по модулю ppp допустимо, это эквивалентно записи в пункте 3:
(p−1−n)!≡(−1) p−n+1(modp). (p-1-n)!\equiv(-1)^{\,p-n+1}\pmod p.
(p−1−n)!≡(−1)p−n+1(modp).
Комментарий о связях и ограничениях. Пункты 1–2 показывают связь с теоремой Вильсона: единый гарантированный случай делимости n!+1n!+1n!+1 простым равен p=n+1p=n+1p=n+1 при простоте n+1n+1n+1. Для p>n+1p>n+1p>n+1 критерий из пункта 3 даёт эквивалентное условие, но не даёт простого явного описания всех таких ppp в терминах nnn (существуют примеры, где p>n+1p>n+1p>n+1 делит n!+1n!+1n!+1, напр. 3!+1=73!+1=73!+1=7). Также важно: любые простые делители числа n!+1n!+1n!+1 строго больше nnn. В общем, нет более простого универсального критерия, который бы предсказывал все случаи делимости или простоту n!+1n!+1n!+1 (в частности, не существует тривиального обобщения Вильсона, гарантирующего простоту n!+1n!+1n!+1 для произвольного nnn).