Докажите или опровергните: для любого натурального n число n^5 - n делится на 5; какие еще простые числа всегда делят n^5 - n? Выведите общее утверждение и обоснуйте его
1) Для 555: по малой теореме Ферма для любого целого nnn имеем n5≡n(mod5)\,n^5\equiv n\pmod 5n5≡n(mod5), значит n5−n≡0(mod5)\,n^5-n\equiv0\pmod5n5−n≡0(mod5). Итак, 555 делит n5−nn^5-nn5−n при любом nnn. 2) Какие простые числа делят n5−nn^5-nn5−n при любом nnn? Пусть ppp — простое такое, что p∣n5−np\mid n^5-np∣n5−n для всех целых nnn. Тогда для всех классов a∈Fpa\in\mathbb F_pa∈Fp выполняется a5=a\,a^5=aa5=a. Для a≠0a\ne0a=0 получается a4=1a^4=1a4=1, т.е. все элементы мультипликативной группы Fp×\mathbb F_p^\timesFp× имеют порядок, делящий 444. Поскольку Fp×\mathbb F_p^\timesFp× цикличесна порядка p−1p-1p−1, следует p−1∣4p-1\mid4p−1∣4. Отсюда p−1∈{1,2,4}p-1\in\{1,2,4\}p−1∈{1,2,4}, значит p∈{2,3,5}p\in\{2,3,5\}p∈{2,3,5}. Проверка: для p=2,3,5p=2,3,5p=2,3,5 действительно для любого nnn выполняется n5≡n(modp)n^5\equiv n\pmod pn5≡n(modp) (для p=2p=2p=2 тривиально, для p=3p=3p=3 у ненулевых элементов a2=1⇒a4=1⇒a5=aa^2=1\Rightarrow a^4=1\Rightarrow a^5=aa2=1⇒a4=1⇒a5=a, для p=5p=5p=5 это малая теорема Ферма). 3) Следствие: ровно простые 2,3,52,3,52,3,5 делят n5−nn^5-nn5−n при всех nnn, поэтому их НОК 2⋅3⋅5=302\cdot3\cdot5=302⋅3⋅5=30 делит n5−nn^5-nn5−n для любого nnn. Никакое другое простое число этого свойства не имеет.
2) Какие простые числа делят n5−nn^5-nn5−n при любом nnn? Пусть ppp — простое такое, что p∣n5−np\mid n^5-np∣n5−n для всех целых nnn. Тогда для всех классов a∈Fpa\in\mathbb F_pa∈Fp выполняется a5=a\,a^5=aa5=a. Для a≠0a\ne0a=0 получается a4=1a^4=1a4=1, т.е. все элементы мультипликативной группы Fp×\mathbb F_p^\timesFp× имеют порядок, делящий 444. Поскольку Fp×\mathbb F_p^\timesFp× цикличесна порядка p−1p-1p−1, следует p−1∣4p-1\mid4p−1∣4. Отсюда p−1∈{1,2,4}p-1\in\{1,2,4\}p−1∈{1,2,4}, значит p∈{2,3,5}p\in\{2,3,5\}p∈{2,3,5}.
Проверка: для p=2,3,5p=2,3,5p=2,3,5 действительно для любого nnn выполняется n5≡n(modp)n^5\equiv n\pmod pn5≡n(modp) (для p=2p=2p=2 тривиально, для p=3p=3p=3 у ненулевых элементов a2=1⇒a4=1⇒a5=aa^2=1\Rightarrow a^4=1\Rightarrow a^5=aa2=1⇒a4=1⇒a5=a, для p=5p=5p=5 это малая теорема Ферма).
3) Следствие: ровно простые 2,3,52,3,52,3,5 делят n5−nn^5-nn5−n при всех nnn, поэтому их НОК 2⋅3⋅5=302\cdot3\cdot5=302⋅3⋅5=30 делит n5−nn^5-nn5−n для любого nnn. Никакое другое простое число этого свойства не имеет.