Starke問題的推廣及證明

2021-05-11 05:38:34 字數 2518 閱讀 4723

很早,人們就注意到任何乙個分數可以寫成有限個分子為1的互異分數之和,而它的證明方法只要用逐次用比它小的分子為1的分數中最大者去逼近。2023年,e.p.

starke提出結論「乙個分母是奇數的分數可以寫成有限個分子是1的分數之和」。但上面的證明方法卻不適用於這個看起來有點類似的問題,robert breusch給出了一種巧妙的方法證明了該結論,見文[1]。另一種更常見的方法也見文[2]。

注意到「分母為奇數」並非本質條件,在這兩個相似問題的啟發下,我們試著提出:

命題(1):對任意自然數n0,設p1,p2……pn0是任意n0個素數,那麼對任何分母不含素因子p1,p2……pn0的分數可以寫成有限個分母不含素因子p1,p2……pn0且分子為1的互異分數之和。

為了方便,以後我們稱,分子為1的分數為單位分數。

假設命題(1)成立,那麼對分母為1時的分數,即自然數,當然也有:

命題(2):設p1,p2……pn0是n0個素數,那麼任何自然數均可表示為分母不含p1,p2……pn0素因子的互異單位分數之和。

假設命題(2)成立,那麼對任何分母不含素因子p1,p2……pn0的分數,把它的分子分解為分母不含p1,p2……pn0素因子的互異單位分數之和,然後將其中每個單位分數除以原分數的分數,於是分數就有了乙個有限分解,它的每項是分母不含p1,p2……pn0素因子的單位分數,且各項互異。因此,我們得到命題(1)與命題(2)等價。

命題(2)蘊含:

命題(3):對任何自然數m0,若q1,q2……,qm0是連續m0個素數,q1=2,則任意自然數均可表示為有限個分母不含素因子q1,q2……,qm0的互異單位分數之和。

反之,若命題(3)成立,則對任給n0個素數p1,p2……pn0,則存在m0,使q1(=2),q2……,qm0是連續的m0個素數,且。於是由命題(3),任意自然數可表示為有限個分母不含素因子的互異單位分數之和。亦即命題(2)與命題(3)等價。

於是只需證明命題(3)。

為方便起見,假定qi為第i個素數。

首先,我們證明:

引理1:取si=2i(q1-1) (q2-1) ……(qm0-1) (qm0+2-1),i=1,2,……,

m=max,則分數(其中)可以表示為分母不含素因子q1,q2……,qm0,qm0+2的互異單位分數之和。

證明:由fermat小定理,(qmo+1)qj-1≡1(modqj),j=1,2,…,m0,m0+2.故-(qmo+1) si+1=2(modqj),j=1,2,…,m0,m0+2。

且由si為偶數,而qm0+1為奇數(因僅q1為偶數,但qm0+1>q1), qm0+1si+1≡2(mod4)。故對任何i,1≤i≤,

不含素因子q1,q2……,qm0,qm0+2。

於是右邊兩個分數的分母不含素因子q1,q2……,qm0,qm0+2

對於1≤j≤,

對於1≤j≤,

可以看出分解式中各分數分母是互異的,而且不含素因子q1,q2……,qm0,qm0+2。這就證明了引理1。

引理2:設qt0是出現在乘積中最大的素因子。

則對任何的自然數n,存在素數qt0+r使得

證明:由發散知,有自然數r使

故設自然數u滿足。記集合。r=1,2…

有了上面的準備,我們來證明命題3。

定理:對任何自然數m0,q1(=2),q2,……,qm0是連續m0個自然數,則任意自然數均可表示為有限個分母不含素因子q1,q2……,qm0的互異單位分數之和。

證明:首先由引理2。對任何自然數n,存在素數qt0+r,使

若左邊等式成立,則結論已成立。否則,只需證明:

對分數它可以表示為分母的所有素因子屬於sr的互異單位分數之和,而且其中每個單位分數與中每個單位分數互異。

我們使用歸納法。對r進行歸納。

當r=1時,

即,將a作關於qm0+2進製分解

, 於是

由於,於是由引理1,均能表示為分母不含素因子q1,q2……,qm0,qm0+2的互異單位分數之和。而當時,項與項分解式中單位分數的分母含qm0+2素因子的冪次不同,故它們互異,且它的分母的所有素因子屬於s1。而且由於其中分數每個分母含因子qm0+2,故它與t中每個單位分數互異。

假設對r=k,結論成立。且其中每個單位分數分母至少含中含素因子之一。那麼對於r=k+1,

對a作關於qt0+k+1的帶餘除法,

由知,。

於是由於數不含素因子,故()

。於是有或,而到必有一素數,故。加之

於是對i=1,2,

於是由歸納假設知,它們均可分解為分母不含素因子的互異單位分數之和,而且第二部分單位分數分母中素因子全部屬於sk,而第一部分單位分數分母中素因子則含有因子qt0+k+1,且分母中全部素因子屬於sk+1。而且其中每個單位分數分母均含中素因子之一,故它們與t中單位分數互異。於是定理證畢。

[1]robert breusch,a special case of egyptian fractions, solution to advanced problem 4512,amer.math.monthly,61(1954) 200-201.

[2]b.m.stewart, sums of distinct divisors,amer.j.math.,76(1954) 779-785;mr16,336.

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