Tài liệu Bài toán chia hết trong số học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI VĂN HUẤN BÀI TOÁN CHIA HẾT TRONG SỐ HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI VĂN HUẤN BÀI TOÁN CHIA HẾT TRONG SỐ HỌC Chuyên ngành: Phương pháp toán sơ cấp Mã số: 60.46.01.13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VĂN QUỐC Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Để hoàn thành được chương trình đào tạo cao học và hoàn thành luận văn này, tác giả luận văn đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, quan tâm, tạo điều kiện của gia đình, của các Thầy Cô giáo, của cơ quan và các bạn bè đồng nghiệp. Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các Thầy, Cô giáo đã tham gia giảng dạy cho chúng em trong quá trình học cao học. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Quốc đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong quá trình hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Toán – Cơ – Tin học, phòng Sau đại học và các phòng, ban trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa học và các thủ tục bảo vệ luận văn tốt nghiệp. Tác giả luận văn xin cảm ơn các các cấp quản lý đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học cao học để nâng cao trình độ chuyên môn của mình. Xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học và thực hiện luận văn. Mục lục Lời Mở đầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Chương 1. Các kiến thức cơ sở . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1. Phép chia trong tập hợp các số nguyên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1. Phép chia hết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2. Phép chia có dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.3. Số nguyên tố, hợp số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.4. Ước chung lớn nhất, bội chung nhỏ nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.5. Một số tính chất khác về chia hết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.6. Một vài hàm số học thông dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Đồng dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1. Khái niệm đồng dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2. Một số tính chất của đồng dư thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.3. Hệ thặng dư và lớp thặng dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.4. Một số định lý nổi tiếng trong lý thuyết đồng dư . . . . . . . . . . . . 13 Chương 2. Một số phương pháp giải bài toán chia hết . . . . . . . 15 2.1. Phương pháp áp dụng các tính chất của phép chia hết . . . . . . . . . . 15 2.1.1. Áp dụng các tính chất cơ bản của phép chia hết. . . . . . . . . . . . . 15 2.1.2. Phương pháp xét số dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.3. Áp dụng hằng đẳng thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2. Phương pháp áp dụng đồng dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.1. Áp dụng tính chất của đồng dư thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.2. Áp dụng các định lý về đồng dư. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2 2.3. Một số phương pháp khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.1. Phương pháp quy nạp toán học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.2. Phương pháp chứng minh phản chứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.3. Sử dụng nguyên lý Dirichlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chương 3. Một số bài toán áp dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1. Một số áp dụng trong giải phương trình nghiệm nguyên . . . . . . . . . 48 3.2. Một số bài toán về tính chia hết các số hạng của dãy số nguyên . 53 3.3. Một số bài toán về tìm số nguyên thỏa mãn điều kiện cho trước liên quan đến chia hết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4. Một số bài tập khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3 Lời mở đầu Số học là một phân môn quan trọng và là lĩnh vực cổ xưa nhất của Toán học. Số học sớm được giảng dạy trong chương trình phổ thông từ khi học sinh bắt đầu học Toán học, với việc làm quen với các con số và các khái niệm đơn giản như tính chia hết, ước số chung lớn nhất, bội số chung nhỏ nhất,. . . Cho đến các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, Số học cũng là lĩnh vực có nhiều những bài toán, giả thuyết đang được nghiên cứu và chưa được giải đáp. Trên con đường tìm kiếm lời giải cho những bài toán, giả thuyết đó, nhiều tư tưởng lớn, lý thuyết lớn của Toán học đã được nảy sinh. Trong chương trình phổ thông hiện nay, Số học chưa được giành nhiều thời gian để học chuyên sâu nhưng là lĩnh vực xuất hiện nhiều trong các đề thi Học sinh giỏi các cấp và trở thành một bộ phận quan trọng trong chương trình giảng dạy Toán ở các lớp chọn và các lớp chuyên Toán, là công cụ tốt để rèn luyện trí thông minh và tư duy Toán học. Tác giả đã lựa chọn đề tài “Bài toán chia hết trong số học” với mục đích tham khảo để tiếp cận và hoàn thiện thêm những vấn đề cơ bản của Số học, làm cơ sở học tập và nghiên cứu các lĩnh vực khác của lý thuyết số sơ cấp. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1 – Các kiến thức cơ sở. Trong chương này, tác giả trình bày tóm tắt lại một số khái niệm, tính chất về phép chia trong tập các số nguyên và một số vấn đề liên quan. Trong đó, lý thuyết đồng dư là một công cụ cơ bản và mạnh mẽ để giải các bài toán chia hết. 4 Chương 2 – Một số phương pháp giải bài toán chia hết. Trong chương này, tác giả trình bày một số phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong các bài toán liên quan đến chia hết như: phương pháp sử dụng các tính chất của phép chia hết, phương pháp sử dụng lý thuyết đồng dư và các định lý nổi tiếng, phương pháp quy nạp toán học, phương pháp chứng minh bằng phản chứng, phương pháp áp dụng nguyên lý Dirichlet, . . . Chương 3 – Một số bài toán áp dụng. Trong chương này, tác giả trình bày một số bài toán của Số học liên quan đến phép chia hết như: áp dụng trong giải các phương trình nghiệm nguyên, tính chất chia hết của các số hạng của dãy số nguyên, bài toán tìm số nguyên thỏa mãn tính chất cho trước,. . . . Với tất cả sự cố gắng, nhưng với thời gian, năng lực có hạn, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy giáo, Cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. 5 Chương 1 Các kiến thức cơ sở Trong số học, tính chất chia hết giữ một vị trí quan trọng. Nó là cơ sở để đưa ra và giải quyết các bài toán về số nguyên tố, hợp số, ước chung lớn nhất, bội chung nhỏ nhất, lý thuyết đồng dư,... Trong chương này, chúng ta cùng hệ thống lại một số kiến thức cơ bản và thường xuyên được áp dụng trong các bài toán về chia hết trong số học. 1.1. Phép chia trong tập hợp các số nguyên Trong tập hợp các số nguyên, các phép toán cộng, trừ, nhân luôn thực hiện được. Tuy vậy, phép chia một số nguyên a cho một số nguyên b 6= 0 không phải lúc nào cũng thực hiện được. Khi phép chia số nguyên a cho số nguyên b 6= 0 được thương là một số nguyên x thỏa mãn phương trình bx = a thì ta nói rằng a chia hết cho b. 1.1.1. Phép chia hết Định nghĩa 1.1. Cho a, b là các số nguyên, b khác 0. Ta nói rằng a chia hết cho b (hay b chia hết a) nếu tồn tại số nguyên c sao cho a = bc. Khi đó, ta còn nói a là bội số của b hay b là ước số của a. . Ký hiệu là: a .. b hay b | a. 6 Trên tập hợp các số nguyên, ta có các tính chất sau: Tính chất 1.2. 1. Với mọi số nguyên a 6= 0, ta có: a | 0. 2. Với mọi số nguyên a, ta có: 1 | a. 3. (Tính chất phản xạ) a | a. 4. (Tính chất bắc cầu) Nếu a|b và b|c thì a|c. 5. Nếu a|b và a|c thì a | (mb + nc). Nếu a|b và a|(b ± c) thì a|c. 6. Nếu a|c và b|c thì (ab)|(cd). Nếu a|b thì với mọi số tự nhiên n, ta có: (an ) | (bn ). 7. Nếu a|b thì |a| ≤ |b|. Vì vậy: Nếu a|b và a, b nguyên dương thì a ≤ b. Nếu a|b và b|a thì |a| = |b|. 8. Nếu a|b thì (±a) | (±b). Mọi số nguyên a đều có ±1 và ±a (nếu a 6= 0) là các ước số của a, gọi là các ước tầm thường của a. Các ước số còn lại gọi là ước thực sự của a. 1.1.2. Phép chia có dư Định lý 1.3. Cho a, b là các số nguyên, b khác 0. Khi đó tồn tại duy nhất cặp số nguyên (q, r), sao cho a = bq + r, 0 ≤ r < |b|. Định nghĩa 1.4. Cho a, b là các số nguyên, b khác 0. Khi đó, ta nói rằng a chia cho b có thương là q và số dư là r nếu a = bq + r, 0 ≤ r < |b|. Khi r = 0 thì ta được a chia hết cho b. Khi r 6= 0 thì ta nói rằng a không chia hết cho b. 7 1.1.3. Số nguyên tố, hợp số Định nghĩa 1.5. Số nguyên tố là số nguyên dương lớn hơn 1 và chỉ có hai ước số nguyên dương là 1 và chính nó. Số nguyên dương khác 1 và không là số nguyên tố được gọi là hợp số. Định lý 1.6 (Euclide). Tập hợp các số nguyên tố là vô hạn. Định lý 1.7 (Định lý cơ bản của số học). Mọi số tự nhiên lớn hơn 1 đều phân tích được thành tích các thừa số nguyên tố và phân tích đó là duy nhất nếu không kể đến thứ tự các thừa số nguyên tố. 1.1.4. Ước chung lớn nhất, bội chung nhỏ nhất Định nghĩa 1.8. Ước chung lớn nhất của hai số nguyên a, b không đồng thời bằng 0 là số nguyên lớn nhất chia hết cả a và b, ký hiệu là (a, b). Khi (a, b) = 1, ta nói rằng hai số a và b nguyên tố cùng nhau. Tính chất 1.9. 1. (ma, mb) = m (a, b), với mọi m nguyên   dương. (a, b) a b , = . Nếu d > 0 là ước chung của a, b thì d d d   a b Nếu (a, b) = d thì , =1. d d 2. Nếu m|a, m|b thì m| (a, b). 3. (a, b) = (a, −b) = (b, a) = (b, a + kb), với mọi số nguyên k. 4. Nếu (a, m) = (b, m) = 1 thì (ab, m) = 1. 5. Nếu m| (ab)và (m, a) = 1 thì m|b. . . . 6. Nếu a..m, a..n và (m, n) = 1 thì a.. (mn). Định lý 1.10. Cho a và b là các số nguyên, và d = (a, b). Khi đó tồn tại các số nguyên m, n sao cho d = ma + nb. 8 Hệ quả 1.11. 1. (a, b) = min {x = ma + nb : x > 0, m, n ∈ Z}. 2. (a, b) = 1 ⇔ ∃m, n ∈ Z : ma + nb = 1. Định nghĩa 1.12. Bội chung nhỏ nhất của hai số nguyên a, b khác 0 là số nguyên dương nhỏ nhất chia hết cho cả a và b, ký hiệu là [a, b]. Định lý 1.13. Cho a và b là các số nguyên dương. Ta có (a, b) [a, b] = ab. Tính chất 1.14. 1. [ma, mb] = m [a, b], với mọi m nguyên dương. 2. Nếu a|m, b|m thì [a, b] |m.   a b [a, b] 3. Nếu d > 0 là ước chung của a, b thì , = . d d d  4. Cho k là một bội chung của a và b. Ta có k = [a, b] ⇔ k k , a b  = 1. Cách tìm ƯCLN, BCNN của hai số bằng cách phân tích thành thừa số nguyên tố. k k k k Q Q Q Q min{αi ,βi } max{αi ,βi } Giả sử a = pαi i , b = pβi i thì (a, b) = pi , [a, b] = pi i=1 i=1 i=1 i=1 1.1.5. Một số tính chất khác về chia hết . . . 1. Cho p là số nguyên tố. Khi đó nếu (ab)..p thì a..p hoặc b..p. . . 2. Cho p là số nguyên tố, an ..p ⇒ a..p. 3. Tích của n số nguyên liên tiếp thì chia hết cho n!. 1.1.6. Một vài hàm số học thông dụng Hàm phần nguyên: Cho x là số thực. Ta gọi phần nguyên của x, ký hiệu là [x], là số nguyên lớn nhất không vượt quá x. Ta gọi phần lẻ của x, ký hiệu là {x}, là số {x} = x − [x]. 9 Hàm số lượng các ước nguyên dương: Cho n là số nguyên dương. Khi đó ta ký hiệu τ (n) là số lượng các ước nguyên dương của n. Vài tính chất của τ (n) : 1. τ (n) là hàm nhân tính : Với mọi số nguyên dương n1 , n2 nguyên tố cùng nhau, ta có : τ (n1 .n2 ) = τ (n1 ) .τ (n2 ). 2. Nếu p là số nguyên tố thì τ (p) = 2. 3. Nếu số nguyên dương n có khai triển chính tắc n = pα1 1 pα2 2 · · · pαk k thì τ (n) = (α1 + 1) (α2 + 1) ... (αk + 1). Hàm tổng các ước nguyên dương: Cho số nguyên dương n. Khi đó ta ký hiệu σ (n) là tổng tất cả các ước nguyên dương của n (kể cả 1 và n). Vài tính chất của hàm σ (n) : 1. σ (n) là hàm nhân tính : Với mọi số nguyên dương n1 , n2 nguyên tố cùng nhau, ta có : σ (n1 .n2 ) = σ (n1 ) .σ (n2 ). 2. Nếu p là số nguyên tố thì σ (p) = p + 1. 3. Nếu số nguyên dương n có khai triển chính tắc n = pα1 1 pα2 2 · · · pαk k thì pαk k +1 − 1 pα1 1 +1 − 1 pα2 2 +1 − 1 σ (n) = · ··· . p1 − 1 p2 − 1 pk − 1 Hàm Eule: Cho n là số nguyên dương. Khi đó ta ký hiệu ϕ (n) là số lượng các số nguyên dương không vượt quá n và nguyên tố cùng nhau với n. ϕ (n) = {x ∈ N∗ : 0 < x < n, (x, n) = 1} Vài tính chất của hàm ϕ (n) : 1. ϕ (n) là hàm nhân tính: Với mọi số nguyên dương n1 , n2 nguyên tố cùng nhau, ta có : ϕ (n1 .n2 ) = ϕ (n1 ) .ϕ (n2 ).
2. Nếu p là số nguyên tố thì: ϕ (p) = p − 1; ϕ pk = pk − pk−1 , (k ∈ N∗ ). P 3. (Định lý Gauss) Với mọi số nguyên dương n, ta có : ϕ (d) = n. d|n 10 4. Nếu số nguyên dương n có khai triển chính tắc n = pα1 1 pα2 2 · · · pαk k thì      1 1 1 1− ··· 1 − . ϕ (n) = n 1 − p1 p2 pk Hàm tổng các chữ số của n viết trong hệ thập phân: Cho n là số nguyên dương. Khi đó ta ký hiệu S (n) là tổng các chữ số của n viết trong hệ thập phân. Vài tính chất của S (n) : 1. Với mọi n nguyên dương, ta có : 0 < S (n) ≤ n. 2. S (n) = n ⇔ 1 ≤ n ≤ 9. 3. Với mọi m, n nguyên dương, ta có : S (m + n) ≤ S (m) + S (n) , S (m.n) ≤ S (m) .S (n) . 1.2. Đồng dư Lý thuyết đồng dư do nhà toán học Gauss (1777-1855) trình bày trong tác phẩm "Disquisitiones Arithmeticae". Phần chính của sách được viết khi ông còn là sinh viên và xuất bản năm 1801 khi ông mới 24 tuổi. Ngày nay lý thuyết được thừa nhận là một công cụ cực kỳ cơ bản và đầy sức mạnh khi nghiên cứu lý thuyết số. 1.2.1. Khái niệm đồng dư Định nghĩa 1.15. Cho số nguyên dương m. Nếu hai số nguyên a và b có cùng số dư khi chia cho m thì ta nói rằng a và b đồng dư với nhau theo modulo m, kí hiệu là a ≡ b (mod m). Nói cách khác, a và b đồng dư với nhau theo modulo m khi và chỉ khi a − b chia hết cho m. Hay a ≡ b (mod m) ⇔ ∃t ∈ Z : a = b + mt. Hệ thức a ≡ b (mod m) được gọi là một đồng dư thức. Cách viết như trên thuận tiện cho việc phát biểu và tính toán. 11 1.2.2. Một số tính chất của đồng dư thức Các tính chất sau đây xét trên tập các số nguyên và m là số nguyên dương. Tính chất 1.16. 1. (Phản xạ) a ≡ a (mod m). 2. (Đối xứng) Nếu a ≡ b (mod m) thì b ≡ a (mod m). 3. (Bắc cầu) Nếu a ≡ b (mod m) , b ≡ c (mod m) thì a ≡ c (mod m). 4. Nếu a ≡ b (mod m) và c ≡ d (mod m) thì a ± b ≡ c ± d (mod m). • a + c ≡ b (mod m) ⇔ a ≡ b − c (mod m). • a ≡ b (mod m) ⇔ a ± c ≡ b ± c (mod m). 5. Nếu a ≡ b (mod m) và c ≡ d (mod m) thì ac ≡ bd (mod m). • Nếu a ≡ b (mod m) thì an ≡ bn (mod m) , ∀n ∈ N. 6. Nếu ca ≡ cb (mod m) và (c, m) = 1 thì a ≡ b (mod m). 7. Nếu a ≡ b (mod m) thì ak ≡ bk (mod mk).   m 8. ca ≡ cb (mod m) ⇔ a ≡ b mod . (c, m) 9. Nếu a ≡ b (mod mi ) với i = 1, 2, 3, ..., n thì a ≡ b (mod [m1 , m2 , ..., mn ] ) với n ∈ N . 1.2.3. Hệ thặng dư và lớp thặng dư Các tính chất 1, 2, 3 ở trên cho thấy quan hệ “đồng dư modulo m” là một quan hệ tương đương. Mỗi lớp tương đương gọi là một lớp thặng dư modulo m. Mỗi phần tử của lớp thặng dư modulo m gọi là một thặng dư modulo m. 12 Định nghĩa 1.17. Với mỗi số r (0 ≤ r ≤ m − 1), tập r tất cả các số nguyên khi chia cho m có số dư là r được gọi là lớp thặng dư modulo m. Mỗi phần tử của r gọi là một thặng dư modulo m. Nhận xét 1.18. Với mỗi số nguyên m ≥ 1, có tất cả m lớp thặng dư modulo m khác nhau. Ta có hợp tất cả các lớp thặng dư modulo m chính là tập hợp Z các số nguyên. Định nghĩa 1.19. Trong mỗi lớp thặng dư modulo m lấy một thặng dư đại diện. Tập hợp m phần tử đó được gọi là hệ thặng dư đầy đủ modulo m. Nói cách khác, hệ thặng dư đầy đủ modulo m là tập hợp m số nguyên đôi một không đồng dư modulo m. H ={0, 1, ..., m − 1} là hệ thặng dư đầy đủ modulo m không âm nhỏ nhất. Định nghĩa 1.20. Trong một hệ thặng dư đầy đủ, bỏ đi các số không nguyên tố cùng nhau với m, ta được một tập hợp gọi là hệ thặng dư thu gọn modulo m. Các hệ này của cùng số nguyên m thì có số phần tử bằng nhau và cùng bằng ϕ (m). 1.2.4. Một số định lý nổi tiếng trong lý thuyết đồng dư Định lý 1.21 (Định lý Fermat nhỏ). Giả sử p là một số nguyên tố và a là một số tự nhiên tuỳ ý. Nếu (a, p) = 1 thì ap−1 ≡ 1 (mod p). Định lý 1.22 (Dạng khác của Định lý Fermat nhỏ). Giả sử p là một số nguyên tố và a là một số tự nhiên tuỳ ý thì ap ≡ a (mod p). Định lý 1.23 (Định lý Euler). Giả sử a, m là các số nguyên nguyên tố cùng nhau. Khi đó aϕ(m) ≡ 1 (mod m). Định lý 1.24 (Định lý Wilson). Với mọi số nguyên tố p, ta có (p − 1)! ≡ −1 (mod p). 13 Định lý 1.25 (Định lý đảo của định lý Wilson). Nếu n là số nguyên dương và (n − 1)! ≡ −1 (mod n) thì n phải là một số nguyên tố. Định lý 1.26 (Định lý thặng dư Trung hoa). Giả sử k số nguyên m1 , m2 , ..., mk đôi một nguyên tố cùng nhau và k số nguyên bất kỳ a1 , a2 , ..., ak . Khi đó tồn tại số nguyên x thỏa mãn hệ x ≡ ai (mod mi ) , ∀i = 1, 2, ..., k. Ngoài ra, nếu y thỏa mãn hệ trên thì y ≡ x (modM ), ở đó M = m1 .m2 , ..., mk . Một cách tìm nghiệm x như sau: M , i = 1, 2, ..., k. mi Vì (mj , mi ) = 1 với j 6= i nên (Mi , mi ) = 1. • Đặt Mi = Do đó tồn tại xi sao cho Mi xi ≡ 1 (modmi ), i = 1, 2, ..., k. • Lập tổng x = a1 M1 x1 + a2 M2 x2 + · + ar Mk xk . Ta có x là một nghiệm của hệ x ≡ ai (modmi ) , i = 1, 2, ..., k. 14 Chương 2 Một số phương pháp giải bài toán chia hết Có nhiều phương pháp để giải bài toán chia hết. Trong chương này, chúng ta cùng hệ thống lại một số phương pháp chứng minh chia hết tiêu biểu thường được áp dụng: 2.1. Phương pháp áp dụng tính chất của phép chia hết, kết hợp với xét số dư, các hằng đẳng thức đáng nhớ, ... 2.2. Phương pháp áp dụng lý thuyết đồng dư. 2.3. Một số phương pháp khác: phương pháp quy nạp toán học, phương pháp chứng minh phản chứng, phương pháp áp dụng nguyên lý Dirichlet, ... 2.1. Phương pháp áp dụng các tính chất của phép chia hết 2.1.1. Áp dụng các tính chất cơ bản của phép chia hết • Một số bài toán đơn giản có thể giải bằng cách áp dụng các tính chất của phép chia hết. Chẳng hạn, các ví dụ sau đây áp dụng tính chất chia hết của một tổng, tích, tính chất bắc cầu, tính chất chia hết của lũy thừa cho số nguyên tố, ... 15 Ví dụ 1. Cho a, b, c là các số nguyên. Chứng minh rằng: 1) Nếu 11a + 2b chia hết cho 19 thì 18a + 5b chia hết cho 19 và ngược lại. 2) Nếu 5a2 + 15ab − b2 chia hết cho 49 thì 3a + b chia hết cho 7 và ngược lại. 3) Nếu a2 − 3ab + 4b2 chia hết cho 49 thì a và b cùng chia hết cho 7. 4) Nếu a2 + ab + b2 chia hết cho 9 thì a và b cùng chia hết cho 3. 5) Nếu a3 + b3 + c3 chia hết cho 9 thì abc chia hết cho 3. Lời giải. 1) Ta có hiệu 5 (11a + 2b) − 2 (18a + 5b) = 19a chia hết cho 19. Từ đó suy ra: 11a + 2b chia hết cho 19 khi và chỉ khi 18a + 5b chia hết cho 19. 2 2) Ta viết 5a2 + 15ab − b2 = 14a2 + 21ab − (3a + b) . +) Nếu 5a2 + 15ab − b2 chia hết cho 49 thì nó cũng chia hết cho 7. 2 Khi đó (3a + b) chia hết cho 7. Suy ra 3a + b chia hết cho 7. +) Ngược lại, nếu 3a + b chia hết cho 7. Ta có 2 (2a + 3b) = 7 (a + b) − (3a + b) chia hết cho 7 Nhưng (2; 7) = 1 nên 2a + 3b chia hết cho 7. 2 2 Khi đó 5a2 +15ab−b2 = 14a2 +21ab−(3a + b) = 7a (2a + 3b)−(3a + b) chia hết cho 49. 2 3) Ta có a2 − 3ab + 4b2 = (a + 2b) − 7ab. +) Nếu a2 − 3ab + 4b2 chia hết cho 49 thì cũng chia hết cho 7. 2 Suy ra (a + 2b) chia hết cho 7 nên 2a + b chia hết cho 7. 2 Khi đó (a + 2b) chia hết cho 49 nên 7ab chia hết cho 49 hay ab chia hết cho 7. Từ đó suy ra a và b cùng chia hết cho 7. +) Điều ngược lại hiển nhiên đúng. 16 2 4) Ta viết a2 + ab + b2 = (a − b) + 3ab. Từ đó giải tương tự như phần 3. 3 5) Phân tích a3 + b3 + c3 − 3abc = (a + b + c) − 3 (a + b + c) (ab + bc + ca). Nếu a3 + b3 + c3 chia hết cho 9 thì vế phải chia hết cho 3. . 3. Suy ra (a + b + c) .. 3 hay (a + b + c) .. 3. . . Khi đó vế phải chia hết cho 9 nên 3abc .. 9 hay abc .. 3 .  • Ví dụ sau đây minh họa tính chất tích của k số nguyên liên tiếp chia hết cho k! Ví dụ 2. Chứng minh rằng với mọi số nguyên n, ta có: 1) A = n3 − n chia hết cho 6. 2) B = n5 − n chia hết cho 30. Lời giải. 1) Ta có A = n3 − n = n(n − 1)(n + 1) là tích của ba số nguyên liên tiếp nên chia hết cho 6 = 3! 2) Ta có B = n5 − n = n(n2 − 1)(n2 − 4 + 5) = n(n − 1)(n + 1)(n − 2)(n + 2) + 5n(n − 1)(n + 1). Trong đó n(n − 1)(n + 1)(n − 2)(n + 2) là tích 5 số nguyên liên tiếp nên chia hết cho 2.3.5 = 30. Còn 5n(n − 1)(n + 1) chia hết cho 5.6 = 30. Do đó ta có B = n5 − n chia hết cho 30.  • Bài toán này còn có thể chứng minh bằng cách xét số dư của n khi chia cho 3 hay 5. • Chúng ta cũng có thể nhờ định lý Fermat nhỏ để giải bài toán này như sau: 1) Trước hết nhận thấy n và n3 cùng tính chẵn lẻ nên A chia hết cho 2. Thêm nữa, theo định lý Fermat nhỏ, ta có A = n3 − n chia hết cho 3. 17 Do (2, 3) = 1 nên suy ra A chia hết cho 6. Có thể biến đổi biểu thức A để được các bài toán tương đương. Chẳng hạn, chứng minh rằng: n3 + 5n chia hết cho 6. Bài toán này tương đương
với bài toán trên vì ta có biến đổi n3 + 5n = n3 − n + 6n.

2) Ta có B = n3 − n n2 + 1 nên chia hết cho 6. Mặt khác, theo định lý Fermat nhỏ, B = n5 − n chia hết cho 5. Do (5, 6) = 1 nên suy ra B chia hết cho 30. • Từ ví dụ trên, ta dễ dàng chứng minh bài toán sau. Ví dụ 3. Cho a, b, c là các số nguyên. . . 1) Chứng minh rằng a3 + b3 + c3 .. 6 khi và chỉ khi a + b + c .. 6 . . 2) Chứng minh rằng a5 + b5 + c5 .. 30 khi và chỉ khi a + b + c .. 30 • Các ví dụ sau được giải bằng cách phân tích thành tích và kết hợp với sử dụng các tính chất chia hết. Ví dụ 4. Chứng minh rằng: 1) A = n3 + 3n2 − n − 3 chia hết cho 48 với n là số nguyên lẻ. 2) B = n4 − 14n3 + 71n2 − 154n + 120 chia hết cho 24 với mọi số nguyên n. 3) C = n4 − 4n3 − 4n2 + 16n chia hết cho 384 với mọi số nguyên n chẵn. 4) D = n5 − 5n3 + 4n chia hết cho 120 với mọi số nguyên n. 5) E = n12 − n8 − n4 + 1 chia hết cho 512 với mọi n là số nguyên lẻ. 6) F = n8 − n6 − n4 + n2 chia hết cho 1152 với mọi n là số nguyên lẻ. 7) G = n6 − n2 chia hết cho 60 với mọi số nguyên n. Lời giải. 18