13.
对每个小于 502 的非负整数 r,定义 其中当 n>10,000 时,(n10,000) 定义为 0。也就是说,Sr 是所有形如 (k10,000) 的二项式系数之和,其中 0≤k≤10,000, 且 k−r 是 502 的倍数。 Sr=m≥0∑(502m+r10,000),
求列表 S0、S1、S2、…、S501 中有多少个整数是质数 503 的倍数。
For each nonnegative integer r less than 502 define Sr=m≥0∑(502m+r10,000), where (n10,000) is defined to be 0 when n>10,000. That is, Sr is the sum of all the binomial coefficients of the form (k10,000) for which 0≤k≤10,000 and k−r is a multiple of 502.
Find the number of integers in the list S0, S1, S2, …, S501 that are multiples of the prime number 503.
答案:39
解答:
在环 F503[x]/(x502−1) 中工作。把 (1+x)10000=∑k(k10000)xk 化简时,每个指数 k 都替换为 kmod502,所以 (1+x)10000≡r=0∑501Srxr(mod503, x502−1).
因为 503 是质数,(1+x)503≡ 1+x503(mod503),且 x503=x⋅x502≡x,所以在这个环中 (1+x)503≡1+x。写成 10000=19⋅503+443, 由于 462<502,没有指数折回,所以当 0≤r≤501 时,Sr≡(r462)(mod503),其中对 r>462,(r462)=0。 (1+x)10000=((1+x)503)19⋅(1+x)443≡(1+x)19⋅(1+x)443=(1+x)462.
对 0≤r≤462,二项式系数 (r462) 不能被 503 整除:462 和 r 在 503 进制中都是一位数,所以 Lucas 定理给出非零值(也可以说 (r462)=r!(462−r)!462! 不含因子 503)。因此 Sr≡0(mod503) 当且仅当 r=463,464,…,501,共有 501−463+1=39 个值。
Work in the ring F503[x]/(x502−1). Reducing (1+x)10000=∑k(k10000)xk replaces each exponent k by kmod502, so (1+x)10000≡r=0∑501Srxr(mod503, x502−1).
Since 503 is prime, (1+x)503≡ 1+x503(mod503), and x503=x⋅x502≡x, so (1+x)503≡1+x in this ring. Writing 10000=19⋅503+443, (1+x)10000=((1+x)503)19⋅(1+x)443≡(1+x)19⋅(1+x)443=(1+x)462. As 462<502, no exponents fold, so Sr≡(r462)(mod503) for 0≤r≤501, where (r462)=0 for r>462.
For 0≤r≤462 the binomial coefficient (r462) is not divisible by 503: both 462 and r are single digits in base 503, so Lucas' theorem gives a nonzero value (indeed (r462)=r!(462−r)!462! involves no factor of 503). Hence Sr≡0(mod503) exactly for r=463,464,…,501, which is 501−463+1=39 values.