2019 AMC 12A Problema 24

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24.

¿Para cuántos enteros nn entre 11 y 50,50, inclusive, es un entero? (Recuerda que 0!=1.0! = 1.) (n21)!(n!)n \dfrac{(n^2 - 1)!}{(n!)^n}

For how many integers nn between 11 and 50,50, inclusive, is (n21)!(n!)n \dfrac{(n^2 - 1)!}{(n!)^n} an integer? (Recall that 0!=1.0! = 1.)

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Respuesta: D
Conceptos:Fórmula de Legendreprimodígitos
Nivel de dificultad: 2420
Solución:

Fijemos un primo pn.p\le n. Por la fórmula de Legendre, la diferencia entre el exponente de pp en el numerador y en el denominador es Dp=k1n21pknk1npk. \begin{aligned} D_p &=\sum_{k\ge1}\left\lfloor\dfrac{n^2-1}{p^k}\right\rfloor\\ &\quad-n\sum_{k\ge1}\left\lfloor\dfrac{n}{p^k}\right\rfloor. \end{aligned} Si rkr_k es el residuo de nn módulo pk,p^k, el kk-ésimo sumando es nrk1pk.\left\lfloor\dfrac{nr_k-1}{p^k}\right\rfloor.

Sea a=vp(n).a=v_p(n). Los primeros aa sumandos son 1.-1. Si nn no es potencia de p,p, escribamos n=pamn=p^a m con m2.m\ge2. Cuando a1,a\ge1, el siguiente sumando es al menos np1a,\dfrac{n}{p}-1\ge a, y todos los posteriores son no negativos; cuando a=0,a=0, todos los sumandos ya son no negativos. Por tanto, Dp0D_p\ge0 salvo que nn sea potencia de p.p.

Para n=pa,n=p^a, la fórmula de Legendre reduce la condición a pa12a(p1).p^a-1\ge2a(p-1). Entre las potencias de primo no mayores que 50,50, esto falla exactamente cuando a=1a=1 (es decir, cuando nn es primo) y cuando n=22=4.n=2^2=4. Hay 1515 primos no mayores que 50,50, más n=4,n=4, para un total de 1616 fallos. Por tanto, funcionan 5016=3450 - 16 = 34 valores de nn.

Por lo tanto, la respuesta correcta es D.

Fix a prime pn.p\le n. By Legendre's formula, the difference between the exponent of pp in the numerator and its exponent in the denominator is Dp=k1n21pknk1npk. \begin{aligned} D_p &=\sum_{k\ge1}\left\lfloor\dfrac{n^2-1}{p^k}\right\rfloor\\ &\quad-n\sum_{k\ge1}\left\lfloor\dfrac{n}{p^k}\right\rfloor. \end{aligned} If rkr_k is the remainder of nn modulo pk,p^k, the kkth summand is nrk1pk.\left\lfloor\dfrac{nr_k-1}{p^k}\right\rfloor.

Let a=vp(n).a=v_p(n). The first aa summands are 1.-1. If nn is not a power of p,p, write n=pamn=p^a m with m2.m\ge2. When a1,a\ge1, the next summand is at least np1a,\dfrac{n}{p}-1\ge a, and all later summands are nonnegative; when a=0,a=0, every summand is already nonnegative. Thus Dp0D_p\ge0 unless nn is a power of p.p.

For n=pa,n=p^a, Legendre's formula reduces the requirement to pa12a(p1).p^a-1\ge2a(p-1). Among prime powers at most 50,50, this fails exactly when a=1a=1 (so nn is prime) and when n=22=4.n=2^2=4. There are 1515 primes at most 50,50, plus n=4,n=4, giving 1616 failures. Hence 5016=3450 - 16 = 34 values of nn work.

Thus, the correct answer is D.

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