
En cajas marcadas con los números 0,1,2,3,... se van a colocar todos los enteros positivos de acuerdo con las siguientes reglas:
- si p es un número primo, éste se coloca en la caja con el número 1.
- si el número a se coloca en la caja con el número ma y b se coloca en la caja con el número mb, entonces el producto de a y b, es decir, ab, se coloca en la caja con el número amb+bma.
Encuentra todos los enteros positivos n que cuando se coloquen queden en la caja con el número n.
Adjunto | Descripción | Tamaño | |
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Me encantó este problema.
Me encantó este problema. Está muy bonito, es como una derivada en los números naturales.
La función que asigna el número de caja a un número natural, que llamaremos δ, por definición satisface la regla de la cadena:
δ(ab)=δ(a)b+aδ(b)
Esto convierte a δ en algo así como una derivada. Por otro lado, sabemos que para todo primo p se tiene que δ(p)=1.
Un resultado inmediato sobre esta derivada es que δ(1)=0, ya que, δ(1)=δ(1⋅1)=1δ(1)+1δ(1)=2δ(1), de donde se sigue que δ(1) debe ser cero. Esta observación, no la usaré para nada, pero creo que es útil para otras cuestiones teóricas.
No es muy dificil de ver que δ(pα)=npα−1, para p primo. Esta fórmula se parece mucho a las derividas normales. No demostraré esta fórmula pues voy a demostrar una más general.
Para buscar la fómula de δ(n) debemos descomponer n en sus factores primos n=pα11⋅pα22⋯pαkk,
Luego, usando sólo la regla de la cadena nos va ser dificil calcular la expresión de δ(n), así que, por eso voy a recurrir al truco de la derivada logarítmica (ya que estamos con la mente en el cálculo de derividas). Pero aquí no aplican eso de calcular el logarítmo y luego derivar, sin embargo ..., podemos definir la derivada logarítmica como φ(n)=δ(n)/n sin tener que meter el logaritmo al cuento.
Esta función φ va de los enteros positivos a los racionales. Y la maravilla sobre φ es que separa de forma elegante los productos:
φ(ab)=δ(ab)ab=δ(a)b+aδ(b)ab=δ(a)a+δ(b)b=φ(a)+φ(b)
Ehhh, ¡como si fuera un logarítmo! Una vez observado esto, es muy fácil calcular φ(n).
φ(n)=φ(pα11⋅pα22⋯pαkk)=α1φ(p1)+α2φ(p2)+⋯+αkφ(pk)
Pero φ(p)=δ(p)/p=1/p cuando p es primo. Por lo tanto,
φ(n)=α1p1+α2p2+⋯+αkpk
Pero φ(n)=δ(n)/n, entonces podemos calcular δ(n) como:
δ(n)=pα11⋅pα22⋯pαkk(α1p1+α2p2+⋯+αkpk)
Entonces, la pregunta del problema se traduce en encontrar, n tal que n=δ(n), es decir, n=pα11⋅pα22⋯pαkk
tal que:
α1p1+α2p2+⋯+αkpk=1
Pero, como p1,p2,…,pk son primos distintos, se puede demostrar que la única posibilidad para que esto ocurra es que k=1 y que p1=α1. Para la demostración de este hecho sólo necesitamos multiplicar por p1⋅p1⋯pk la expresión de arriba y luego observar que p1 aparace como factor en todos los sumando escepto al primero, y por ende, p1 debe dividir a α1 y de aquí es fácil concluir.
En resumen, la únicos números que terminan en su propia caja son los número n=pp con p primo.
Saludos
¡Excelente discusión del
¡Excelente discusión del problema 2! (Y muy didáctica)
Si me permites, la voy a tomar y la poner en forma de post... uno de estos días...
Las gracias te sean dadas