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第3题

求所有满足 n>1n>1 为整数的整数 (2n+1)/n2(2^n+1)/n^2。
第 3/4 步:n 中 3 的幂恰为一
v3(2n+1)=m+1if 3m∥n,m=1v_3(2^n+1)=m+1\quad\text{if }3^m\Vert n,\qquad m=1
详细分析

设 3m∥n3^m\Vert n,展开 (3−1)n+1(3-1)^n+1。因 nn 为奇数,常数项抵消,首项为 3n3n,其3进赋值为 m+1m+1。对 b≥3b\ge3 的项 (nb)3b\binom nb3^b,若 b≥m+2b\ge m+2,它立即被 3m+23^{m+2} 整除。若 3∤b3\nmid b,组合数 (nb)\binom nb 的乘积公式给出 v3((nb))≥mv_3(\binom nb)\ge m,故该项赋值至少为 m+3m+3;若 3∣b3\mid b,则 v3((nb))≥m−v3(b)v_3(\binom nb)\ge m-v_3(b) 且 b−v3(b)≥2b-v_3(b)\ge2,赋值至少为 m+2m+2。因此 v3(2n+1)=m+1v_3(2^n+1)=m+1。由 n2∣2n+1n^2\mid2^n+1 得 2m≤m+12m\le m+1,所以 m=1m=1。