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第6题

设 a1,a2,a3,…a_1,a_2,a_3,\ldots 是由大于 11 的正整数组成的无穷数列。假设对所有正整数 nn,数 an+1a_{n+1} 是大于 ana_n 且对每个 i=1,2,…,ni=1,2,\ldots,n 都满足 gcd⁡(an+1,ai)>1\gcd(a_{n+1},a_i)>1 的最小正整数。求证:存在正整数 TT 与 LL,使得对每个正整数 nn 都有 an+T=an+La_{n+T}=a_n+L。
第 3/3 步:是否属于数列仅取决于 x mod L
L:=∏p≤a12p,x∈{a1,a2,…}  ⟺  x+L∈{a1,a2,…}(∀ x≥a1)L:=\prod_{p\le a_1^2}p,\qquad x\in\{a_1,a_2,\ldots\}\iff x+L\in\{a_1,a_2,\ldots\}\quad(\forall\,x\ge a_1)
详细分析

设 PP 为小素数 p≤a12p\le a_1^2 的有限集合。由第2步,每个 ⪯\preceq-极小项的素因子都属于 PP,故其根基整除 L:=∏p∈PpL:=\prod_{p\in P}p。因此 ⪯\preceq-极小项只有有限多个:对任意固定的根基,最早出现的项先于所有具有同一根基的后续项。对整个数列中的每个 ⪯\preceq-极小项 aia_i 都有 rad⁡(ai)∣L\operatorname{rad}(a_i)\mid L,且因 a1a_1 的素因子也都属于 PP,任意 x≥a1x\ge a_1 对所有 ai<xa_i<x 的 ⪯\preceq-极小项满足 gcd⁡(x,ai)>1\gcd(x,a_i)>1,当且仅当它对整个数列中的所有 ⪯\preceq-极小项都满足这一条件(若某个 ai>xa_i>x 的 ⪯\preceq-极小项有 gcd⁡(x,ai)=1\gcd(x,a_i)=1,则 xx 不可能在 aia_i 之前出现,矛盾)。由于所有这些根基都整除 LL,有 gcd⁡(x+L,ai)>1  ⟺  gcd⁡(x,ai)>1\gcd(x+L,a_i)>1\iff\gcd(x,a_i)>1。所以 xx 出现在数列中当且仅当 x+Lx+L 出现,得到所声称的平移周期性。