2021 AIME II 第 13 题

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13.

求最小正整数 nn,使得 2n+5n−n2^n + 5^n - n 是 10001000 的倍数。

Find the least positive integer nn for which 2n+5n−n2^n + 5^n - n is a multiple of 1000.1000.

答案:797
知识点:中国剩余定理模幂运算乘法阶
难度评级:3160
小提示:

分解 1000=8⋅1251000 = 8 \cdot 125:当 n≥3n \ge 3 时,需要 n≡5n(mod8)n \equiv 5^n \pmod 8 且 n≡2n(mod125)n \equiv 2^n \pmod{125}

Split 1000=8⋅125:1000 = 8 \cdot 125: for n≥3n \ge 3 you need n≡5n(mod8)n \equiv 5^n \pmod 8 and n≡2n(mod125)n \equiv 2^n \pmod{125}

大提示:

2n mod 1252^n \bmod 125 只取决于 n mod 100n \bmod 100。先强制模 55 的一致性,再强制模 2525 的一致性,从而确定 n mod 100n \bmod 100,最后用中国剩余定理。

2n mod 1252^n \bmod 125 depends only on n mod 100.n \bmod 100. Force consistency modulo 5,5, then 25,25, to pin down n mod 100,n \bmod 100, and finish with CRT.

解答:

在模 88 和 125125 下考虑。当 n≥3n \ge 3 时,2n≡0(mod8)2^n \equiv 0 \pmod 8,所以需要 n≡5n(mod8)n \equiv 5^n \pmod 8。若 nn 为偶数,则 5n≡15^n \equiv 1 会迫使偶数 nn 也满足 ≡1(mod8)\equiv 1 \pmod 8,不可能;所以 nn 为奇数,5n≡55^n \equiv 5,且 n≡5(mod8)n \equiv 5 \pmod 8。另外 n≥3n \ge 3 时 5n≡0(mod125)5^n \equiv 0 \pmod{125},所以需要 n≡2n(mod125)n \equiv 2^n \pmod{125}。

22 模 55、模 2525、模 125125 的阶分别为 44、2020 和 100100。由于 n≡5(mod8)n \equiv 5 \pmod 8 给出 n≡1(mod4)n \equiv 1 \pmod 4,所以 2n≡2(mod5)2^n \equiv 2 \pmod 5,故 n≡2(mod5)n \equiv 2 \pmod 5,进而 n≡17(mod20)n \equiv 17 \pmod{20}。于是 2n≡217=210⋅272^n \equiv 2^{17} = 2^{10} \cdot 2^7 ≡(−1)(3)≡22(mod25)\equiv (-1)(3) \equiv 22 \pmod{25},所以 n≡22(mod25)n \equiv 22 \pmod{25} 与 n≡1(mod4)n \equiv 1 \pmod 4 合并,得 n≡97(mod100)n \equiv 97 \pmod{100}。最后 210≡242^{10} \equiv 24,220≡762^{20} \equiv 76,240≡262^{40} \equiv 26,280≡51(mod125)2^{80} \equiv 51 \pmod{125},所以 2n≡297=280⋅210⋅27≡51⋅24⋅3≡47(mod125), \begin{aligned} &2^n \equiv 2^{97} = 2^{80} \cdot 2^{10} \cdot 2^7 \\ &\equiv 51 \cdot 24 \cdot 3 \equiv 47 \pmod{125} \end{aligned}\text{,} 即 n≡47(mod125)n \equiv 47 \pmod{125}。

合并 n≡47(mod125)n \equiv 47 \pmod{125} 与 n≡5(mod8)n \equiv 5 \pmod 8,得到 n≡797(mod1000)n \equiv 797 \pmod{1000},而 n=1,2n = 1, 2 直接检验不满足,所以最小的这样的 nn 是 797797。

Work modulo 88 and 125.125. For n≥3n \ge 3 we have 2n≡0(mod8),2^n \equiv 0 \pmod 8, so we need n≡5n(mod8).n \equiv 5^n \pmod 8. If nn is even then 5n≡1,5^n \equiv 1, forcing the even number nn to be ≡1(mod8),\equiv 1 \pmod 8, impossible; so nn is odd, 5n≡5,5^n \equiv 5, and n≡5(mod8).n \equiv 5 \pmod 8. Also 5n≡0(mod125)5^n \equiv 0 \pmod{125} for n≥3,n \ge 3, so we need n≡2n(mod125).n \equiv 2^n \pmod{125}.

The order of 22 is 44 modulo 5,5, 2020 modulo 25,25, and 100100 modulo 125.125. Since n≡5(mod8)n \equiv 5 \pmod 8 gives n≡1(mod4),n \equiv 1 \pmod 4, we get 2n≡2(mod5),2^n \equiv 2 \pmod 5, so n≡2(mod5)n \equiv 2 \pmod 5 and hence n≡17(mod20).n \equiv 17 \pmod{20}. Then 2n≡217=210⋅272^n \equiv 2^{17} = 2^{10} \cdot 2^7 ≡(−1)(3)≡22(mod25),\equiv (-1)(3) \equiv 22 \pmod{25}, so n≡22(mod25),n \equiv 22 \pmod{25}, which with n≡1(mod4)n \equiv 1 \pmod 4 gives n≡97(mod100).n \equiv 97 \pmod{100}. Finally 210≡24,2^{10} \equiv 24, 220≡76,2^{20} \equiv 76, 240≡26,2^{40} \equiv 26, 280≡51(mod125),2^{80} \equiv 51 \pmod{125}, so 2n≡297=280⋅210⋅27≡51⋅24⋅3≡47(mod125), \begin{aligned} &2^n \equiv 2^{97} = 2^{80} \cdot 2^{10} \cdot 2^7 \\ &\equiv 51 \cdot 24 \cdot 3 \equiv 47 \pmod{125}, \end{aligned} giving n≡47(mod125).n \equiv 47 \pmod{125}.

Combining n≡47(mod125)n \equiv 47 \pmod{125} with n≡5(mod8)n \equiv 5 \pmod 8 yields n≡797(mod1000),n \equiv 797 \pmod{1000}, and n=1,2n = 1, 2 fail by direct check, so the least such nn is 797.797.

第 12 题#12
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