2026 AIME I 第 13 题

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13.

对每个小于 502502 的非负整数 rr,定义Sr=∑m≥0(10,000502m+r),S_r = \sum_{m \ge 0} \binom{10{,}000}{502m + r}\text{,}其中当 n>10,000n \gt 10{,}000 时,规定 (10,000n)\binom{10{,}000}{n} 为 00。也就是说,SrS_r 是所有形如 (10,000k)\binom{10{,}000}{k} 的二项式系数之和,其中 0≤k≤10,0000 \le k \le 10{,}000,且 k−rk - r 是 502502 的倍数。

求列表 S0S_0、S1S_1、S2S_2、…\ldots、S501S_{501} 中有多少个整数是质数 503503 的倍数。

For each nonnegative integer rr less than 502502 define Sr=∑m≥0(10,000502m+r),S_r = \sum_{m \ge 0} \binom{10{,}000}{502m + r}, where (10,000n)\binom{10{,}000}{n} is defined to be 00 when n>10,000.n \gt 10{,}000. That is, SrS_r is the sum of all the binomial coefficients of the form (10,000k)\binom{10{,}000}{k} for which 0≤k≤10,0000 \le k \le 10{,}000 and k−rk - r is a multiple of 502.502.

Find the number of integers in the list S0,S_0, S1,S_1, S2,S_2, …,\ldots, S501S_{501} that are multiples of the prime number 503.503.

答案:39
知识点:二项式定理模运算多项式
难度评级:3370
小提示:

处理 (1+x)10000(1+x)^{10000},所在环为 F503[x]\mathbb{F}_{503}[x],并模 x502−1x^{502} - 1 化简;此时 xrx^r 的系数正好变成 SrS_r

Work with (1+x)10000(1+x)^{10000} in F503[x]\mathbb{F}_{503}[x] modulo x502−1,x^{502} - 1, where the coefficient of xrx^r becomes exactly SrS_r

大提示:

利用 (1+x)503≡1+x503≡1+x(1+x)^{503} \equiv 1 + x^{503} \equiv 1 + x,把 (1+x)10000(1+x)^{10000} 化简为一个次数小于 502502 的幂

Use (1+x)503≡1+x503≡1+x(1+x)^{503} \equiv 1 + x^{503} \equiv 1 + x to collapse (1+x)10000(1+x)^{10000} to a power of degree less than 502502

解答:

在环 F503[x]x502−1\frac{\mathbb{F}_{503}[x]}{x^{502} - 1} 中工作。把 (1+x)10000=∑k(10000k)xk(1 + x)^{10000} = \sum_k \binom{10000}{k} x^k 化简时,每个指数 kk 都替换为 k mod 502k \bmod 502,所以 (1+x)10000≡∑r=0501Sr xr(mod503, x502−1)。 \begin{aligned} &(1+x)^{10000} \equiv \sum_{r=0}^{501} S_r \, x^r \\ &\pmod{503,\ x^{502} - 1} \end{aligned}\text{。}

因为 503503 是质数,(1+x)503≡(1+x)^{503} \equiv 1+x503(mod503)1 + x^{503} \pmod{503},且 x503=x⋅x502≡xx^{503} = x \cdot x^{502} \equiv x,所以在这个环中 (1+x)503≡1+x(1+x)^{503} \equiv 1 + x。写成 10000=19⋅503+44310000 = 19 \cdot 503 + 443,于是(1+x)10000=((1+x)503)19⋅(1+x)443≡(1+x)19⋅(1+x)443=(1+x)462。 \begin{aligned} &(1+x)^{10000} \\ &= \left((1+x)^{503}\right)^{19} \\ &\quad {}\cdot (1+x)^{443} \\ &\equiv (1+x)^{19} \\ &\quad {}\cdot (1+x)^{443} \\ &= (1+x)^{462} \end{aligned}\text{。}由于 462<502462 \lt 502,没有指数折回,所以 Sr≡(462r)(mod503)S_r \equiv \binom{462}{r} \pmod{503} 对 0≤r≤5010 \le r \le 501 都成立,其中 (462r)=0\binom{462}{r} = 0 当 r>462r \gt 462。

对 0≤r≤4620 \le r \le 462,二项式系数 (462r)\binom{462}{r} 不能被 503503 整除:462462 和 rr 在 503503 进制中都是一位数,所以 Lucas 定理给出非零值(也可以说 (462r)=462!r! (462−r)!\binom{462}{r} = \frac{462!}{r!\,(462-r)!} 不含因子 503503)。因此 Sr≡0(mod503)S_r \equiv 0 \pmod{503} 当且仅当 r=463,464,…,501r = 463, 464, \ldots, 501,共有 501−463+1=39501 - 463 + 1 = 39 个值。

Work in the ring F503[x]x502−1.\frac{\mathbb{F}_{503}[x]}{x^{502} - 1}. Reducing (1+x)10000=∑k(10000k)xk(1 + x)^{10000} = \sum_k \binom{10000}{k} x^k replaces each exponent kk by k mod 502,k \bmod 502, so (1+x)10000≡∑r=0501Sr xr(mod503, x502−1). \begin{aligned} &(1+x)^{10000} \equiv \sum_{r=0}^{501} S_r \, x^r \\ &\pmod{503,\ x^{502} - 1}. \end{aligned}

Since 503503 is prime, (1+x)503≡(1+x)^{503} \equiv 1+x503(mod503),1 + x^{503} \pmod{503}, and x503=x⋅x502≡x,x^{503} = x \cdot x^{502} \equiv x, so (1+x)503≡1+x(1+x)^{503} \equiv 1 + x in this ring. Writing 10000=19⋅503+443,10000 = 19 \cdot 503 + 443, (1+x)10000=((1+x)503)19⋅(1+x)443≡(1+x)19⋅(1+x)443=(1+x)462. \begin{aligned} &(1+x)^{10000} \\ &= \left((1+x)^{503}\right)^{19} \\ &\quad {}\cdot (1+x)^{443} \\ &\equiv (1+x)^{19} \\ &\quad {}\cdot (1+x)^{443} \\ &= (1+x)^{462}. \end{aligned} As 462<502,462 \lt 502, no exponents fold, so Sr≡(462r)(mod503)S_r \equiv \binom{462}{r} \pmod{503} for 0≤r≤501,0 \le r \le 501, where (462r)=0\binom{462}{r} = 0 for r>462.r \gt 462.

For 0≤r≤4620 \le r \le 462 the binomial coefficient (462r)\binom{462}{r} is not divisible by 503:503: both 462462 and rr are single digits in base 503,503, so Lucas’ theorem gives a nonzero value (indeed (462r)=462!r! (462−r)!\binom{462}{r} = \frac{462!}{r!\,(462-r)!} involves no factor of 503503). Hence Sr≡0(mod503)S_r \equiv 0 \pmod{503} exactly for r=463,464,…,501,r = 463, 464, \ldots, 501, which is 501−463+1=39501 - 463 + 1 = 39 values.

第 12 题#12
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