ВсОШ 2023, 11 класс, задача 7

( баллов) Назовём многочлен бицелозначным, если числа и целые при любом целом . Пусть - бицелозначный многочлен степени , и пусть - произведение всех составных чисел, не превосходящих (произведение пустого множества сомножителей считаем равным ). Докажите, что старший коэффициент многочлена - целый. (И. Богданов, Г. Челноков)

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение. Многочлен называется целозначным, если - целое число при любом целом . Нам надо доказать, что, если многочлены и целозначны, причём степень равна , то старший коэффициент многочлена - целый.

Лемма. Пусть - целозначный многочлен степени . Тогда все коэффициенты многочлена целые.

Доказательство. Рассмотрим многочлен

Его степень не больше , и его значения совпадают с соответствующими значениями в точках . Это означает, что многочлен имеет степень не выше , а также обнуляется в точке. Поэтому он нулевой, то есть . (Формула выше - это частный случай интерполяционной формулы Лагранжа.)

Осталось заметить, что в формуле выше в -м слагаемом знаменатель равен ; это число делит , поскольку . Значит, при умножении каждого слагаемого на получается многочлен с целыми коэффициентами.

Перейдём к решению задачи. Индукция по . База при тривиальна. Для перехода индукции рассмотрим бицелозначный многочлен степени ; пусть его старший коэффициент равен .

Если не является простым числом, то . Заметим, что многочлен также бицелозначный, имеет степень и старший коэффициент . По предположению индукции, число является целым, что и требовалось доказать.

Пусть теперь - простое число; тогда , и то же рассуждение даёт, что число является целым. Предположим, что - нецелое число; тогда знаменатель числа (в несократимой записи) делится на простое число . Заметим, что сумма всех коэффициентов многочлена - это целое число . Поскольку знаменатель числа делится на , среди коэффициентов многочлена найдётся ещё один, у которого знаменатель делится на ; пусть это коэффициент при , . Заметим, что , так как число целое.

Но тогда у целозначного многочлена коэффициент при равен и также имеет знаменатель, кратный . Поскольку - простое число, отсюда вытекает, что коэффициент при у многочлена нецелый, что противоречит лемме.

Замечание 1. Случай простого можно разобрать и другими способами. Приведём один из них.

Предположим, что число целое, а - нет, так что для некоторого целого , не кратного . Рассмотрим многочлен

Он целозначен, поскольку при любом целом число делится на . Кроме того, его степень меньше . Из леммы вытекает, что знаменатели коэффициентов многочлена не делятся на .

Рассмотрим теперь целое число . Из формулы нетрудно получить, что

При этом первое слагаемое - это несократимая дробь со знаменателем, не делящимся на , а второе - с делящимся. Это невозможно для целого .

Замечание 2. Как доказали D. Brizolis и E. G. Straus, наименьшее , для которого старший коэффициент многочлена обязательно целый, равно

где произведение берётся по всем простым , а - это наибольшее целое неотрицательное число , для которого верно неравенство .

Похожие задачи

ВсОШ 2025, 11 класс, задача 3

Пару многочленов F(x,y) и G(x,y) с целыми коэффициентами назовём важной, если из делимости на 100 обеих разностей F(a,b)-F(c,d) и G(a,b)-G(c,d), где a, b, c, d — целые, следует, что числа a-c и b-d делятся на 100. Существует ли такая важная пара многочленов P(x,y), Q(x,y), что пара многочленов P(x,y

ВсОШ 2024, 11 класс, задача 2

Тройку положительных чисел (a,b,c) назовём загадочной, если √(a2+frac1{a2c2)+2ab}+√(b2+frac1{b2a2)+2bc}+√(c2+frac1{c2b2)+2ca}=2(a+b+c). Докажите, что если тройка (a,b,c) - загадочная, то тройка (c,b,a)

ВсОШ 2023, 11 класс, задача 1

(20 баллов) Число x таково, что sin x+operatorname{tg} x и cos x+operatorname{ctg} x - рациональные числа. Докажите, что sin 2x является корнем квадратного уравнения с целыми коэффициентами. (Н. Агаханов)

ВсОШ 2022, 10 класс, задача 3

(20 баллов) Изначально на доске написана пара чисел (1,1). Если для некоторых x и y на доске написана одна из пар (x,y-1) и (x+y,y+1), то можно дописать другую. Аналогично, если на доске написана одна из пар (x,xy) и (frac1x,y), то можно дописать другую. Докажите, что в каждой выписанной паре первое