2021 AIME II 第 9 题

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9.

求有序对 (m,n)(m, n) 的个数,使得 mm 和 nn 是集合 {1,2,…,30}\{1, 2, \ldots, 30\} 中的正整数,且 2m+12^m + 1 与 2n−12^n - 1 的最大公约数不是 11。
Find the number of ordered pairs (m,n)(m, n) such that mm and nn are positive integers in the set {1,2,…,30}\{1, 2, \ldots, 30\} and the greatest common divisor of 2m+12^m + 1 and 2n−12^n - 1 is not 1.1.
答案:295
知识点:乘法阶最大公约数2的幂
小提示:
一个同时整除两数的素数会迫使 22 模该素数的阶整除 2m2m 和 nn,但不整除 mm
A prime dividing both numbers forces the order of 22 modulo that prime to divide 2m2m and nn but not mm
大提示:
最大公约数大于 11 当且仅当 nn 含有的因子 22 的个数严格多于 mm;按每个数中 22 的幂次计数
The gcd exceeds 11 exactly when nn contains strictly more factors of 22 than m;m; count pairs by the power of 22 in each number
解答:
假设奇素数 pp 同时整除 2m+12^m + 1 和 2n−12^n - 1。由 2m≡−1(modp)2^m \equiv -1 \pmod p 可知,22 模 pp 的阶整除 2m2m 但不整除 mm,因此这个阶中因子 22 的个数恰好比 mm 中多一个。这个阶也整除 nn,所以 nn 中因子 22 的个数必须严格多于 mm 中的个数。记 v2v_2 为因子 22 的个数,则需要 v2(n)>v2(m)v_2(n) \gt v_2(m)。
反过来,若 v2(n)>v2(m)v_2(n) \gt v_2(m),设 g=gcd⁡(m,n)g = \gcd(m, n)。则 v2(g)=v2(m)v_2(g) = v_2(m),所以 mg\frac{m}{g} 为奇数,且 2g+12^g + 1 整除 2m+12^m + 1;同时 2g2g 整除 nn,所以 2g+12^g + 1 整除 22g−12^{2g} - 1,而它又整除 2n−12^n - 1。因此最大公约数大于 11 当且仅当 v2(n)>v2(m)v_2(n) \gt v_2(m)。
在 1,…,301, \ldots, 30 中,满足 v2=0,1,2,3,4v_2 = 0, 1, 2, 3, 4 的数的个数分别为 15,8,4,2,115, 8, 4, 2, 1。满足 v2(m)<v2(n)v_2(m) \lt v_2(n) 的有序对数为 15⋅15+8⋅7+4⋅3+2⋅1=225+56+12+2=295。 \begin{aligned} &15 \cdot 15 + 8 \cdot 7 + 4 \cdot 3 + 2 \cdot 1 \\ &= 225 + 56 + 12 + 2 = 295 \end{aligned}\text{。}
Suppose an odd prime pp divides both 2m+12^m + 1 and 2n−1.2^n - 1. From 2m≡−1(modp),2^m \equiv -1 \pmod p, the order of 22 modulo pp divides 2m2m but not m,m, so the order contains exactly one more factor of 22 than mm does. The order also divides n,n, so nn must contain strictly more factors of 22 than m:m: writing v2v_2 for the number of factors of 2,2, we need v2(n)>v2(m).v_2(n) \gt v_2(m).
Conversely, if v2(n)>v2(m),v_2(n) \gt v_2(m), let g=gcd⁡(m,n).g = \gcd(m, n). Then v2(g)=v2(m),v_2(g) = v_2(m), so mg\frac{m}{g} is odd and 2g+12^g + 1 divides 2m+1;2^m + 1; also 2g2g divides n,n, so 2g+12^g + 1 divides 22g−1,2^{2g} - 1, which in turn divides 2n−1.2^n - 1. Hence the gcd exceeds 11 exactly when v2(n)>v2(m).v_2(n) \gt v_2(m).
Among 1,…,301, \ldots, 30 the counts of numbers with v2=0,1,2,3,4v_2 = 0, 1, 2, 3, 4 are 15,8,4,2,1.15, 8, 4, 2, 1. The number of pairs with v2(m)<v2(n)v_2(m) \lt v_2(n) is 15⋅15+8⋅7+4⋅3+2⋅1=225+56+12+2=295. \begin{aligned} &15 \cdot 15 + 8 \cdot 7 + 4 \cdot 3 + 2 \cdot 1 \\ &= 225 + 56 + 12 + 2 = 295. \end{aligned}
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