Комбинаторная задача: докажите или опровергните, что для любого простого p>2 число (2^p - 2) делится на p; какие теоремы из теории чисел здесь релевантны и почему
Да, для любого простого p>2p>2p>2 верно p∣(2p−2)p\mid(2^p-2)p∣(2p−2). Доказательство (коротко): так как ppp простое и gcd(2,p)=1\gcd(2,p)=1gcd(2,p)=1, по малой теореме Ферма 2p−1≡1(modp).
2^{p-1}\equiv1\pmod p. 2p−1≡1(modp).
Умножив обе части на 222, получаем 2p≡2(modp),
2^p\equiv2\pmod p, 2p≡2(modp),
то есть ppp делит 2p−22^p-22p−2. Релевантные теоремы и замечания: - Малая теорема Ферма (см. выше) — основное средство для данного утверждения. - Теорема Эйлера (обобщение): если gcd(a,n)=1\gcd(a,n)=1gcd(a,n)=1, то aφ(n)≡1(modn)a^{\varphi(n)}\equiv1\pmod naφ(n)≡1(modn). Для простого ppp получаем φ(p)=p−1\varphi(p)=p-1φ(p)=p−1 и возвращаемся к Ферма. - Обратное неверно: существуют составные nnn такие, что n∣(2n−2)n\mid(2^n-2)n∣(2n−2). Такие числа называются псевдопростыми по основанию 222 (например, 341=11⋅31341=11\cdot31341=11⋅31 — базово‑2 псевдопростое). Более сильное свойство an≡a(modn)a^n\equiv a\pmod nan≡a(modn) для всех aaa характеризует числа Кармайкла.
Доказательство (коротко): так как ppp простое и gcd(2,p)=1\gcd(2,p)=1gcd(2,p)=1, по малой теореме Ферма
2p−1≡1(modp). 2^{p-1}\equiv1\pmod p.
2p−1≡1(modp). Умножив обе части на 222, получаем
2p≡2(modp), 2^p\equiv2\pmod p,
2p≡2(modp), то есть ppp делит 2p−22^p-22p−2.
Релевантные теоремы и замечания:
- Малая теорема Ферма (см. выше) — основное средство для данного утверждения.
- Теорема Эйлера (обобщение): если gcd(a,n)=1\gcd(a,n)=1gcd(a,n)=1, то aφ(n)≡1(modn)a^{\varphi(n)}\equiv1\pmod naφ(n)≡1(modn). Для простого ppp получаем φ(p)=p−1\varphi(p)=p-1φ(p)=p−1 и возвращаемся к Ферма.
- Обратное неверно: существуют составные nnn такие, что n∣(2n−2)n\mid(2^n-2)n∣(2n−2). Такие числа называются псевдопростыми по основанию 222 (например, 341=11⋅31341=11\cdot31341=11⋅31 — базово‑2 псевдопростое). Более сильное свойство an≡a(modn)a^n\equiv a\pmod nan≡a(modn) для всех aaa характеризует числа Кармайкла.