Question

Sean $h_n$ y $k_n$ los únicos enteros positivos primos entre sí tales que

$\frac11+\frac12+\frac13+\cdots+\frac1n=\frac{h_n}{k_n}.$

Sea $L_n$ el mínimo común múltiplo de los números $1,2,3,\ldots,n.$ ¿Para cuántos enteros $n$ con $1\le n\le22$ se cumple $k_n\lt L_n$ ?

Let $h_n$ and $k_n$ be the unique relatively prime positive integers such that

$\frac11+\frac12+\frac13+\cdots+\frac1n=\frac{h_n}{k_n}.$

Let $L_n$ denote the least common multiple of the numbers $1,2,3,\ldots,n.$ For how many integers $n$ with $1\le n\le22$ is $k_n\lt L_n?$

$0$

$3$

$7$

$8$

$10$

Solución:

Siempre $k_n\mid L_n,$ así que $k_n\lt L_n$ exactamente cuando algún primo $p$ divide a la vez a $L_n$ y al numerador $N=\sum_{k=1}^n \tfrac{L_n}{k}$ (es decir, un primo se cancela).

Para un primo $p$ con potencia máxima $p^a\le n,$ solo los términos con $v_p(k)=a$ mantienen $p$ fuera de $L_n/k;$ todos los demás son divisibles por $p.$ Así que $p$ se cancela si y solo si $\sum_{v_p(k)=a}\tfrac{L_n}{k}\equiv0\pmod p.$

Revisando cada $n,$ la cancelación ocurre precisamente para $n=6,7,8,18,19,20,21,22,$ que son $8$ valores.

Por lo tanto, la respuesta correcta es D.

Always $k_n\mid L_n,$ so $k_n\lt L_n$ exactly when some prime $p$ divides both $L_n$ and the numerator $N=\sum_{k=1}^n \tfrac{L_n}{k}$ (i.e. a prime cancels).

For a prime $p$ with maximal power $p^a\le n,$ only the terms with $v_p(k)=a$ keep $p$ out of $L_n/k;$ all others are divisible by $p.$ So $p$ cancels iff $\sum_{v_p(k)=a}\tfrac{L_n}{k}\equiv0\pmod p.$

Checking each $n,$ cancellation occurs precisely for $n=6,7,8,18,19,20,21,22,$ which is $8$ values.

Thus, the correct answer is D.

2022 AMC 12A Problema 23

Solución:

El Problema 23 en otros años